СВ-Принт

Термоэлектронная эмиссия

Смотреть что такое «Термоэлектронная эмиссия» в других словарях:

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия к рых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона (см. Работа выхода). Число таких электронов (обычно это электроны … Физическая энциклопедия

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание эл нов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те эл ны, энергия к рых больше энергии эл на, покоящегося вне тела (см. РАБОТА ВЫХОДА). Число таких эл нов в условиях термодинамич. равновесия, в… … Физическая энциклопедия

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми твердыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов из эмиттера. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при температурах… … Большой Энциклопедический словарь

• термоэлектронная эмиссия — термоэлектронная эмиссия; отрасл. термоионная эмиссия Электронная эмиссия, обусловленная исключительно тепловым состоянием (температурой) твердого или жидкого тела, испускающего электроны … Политехнический терминологический толковый словарь

• термоэлектронная эмиссия — Электронная эмиссия, обусловленная только температурой электрода. Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, «испарение» ЭЛЕКТРОНОВ с поверхности вещества при его нагреве … Научно-технический энциклопедический словарь

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Явление наблюдается при температурах, значительно превышающих комнатную; в этом случае часть электронов тела приобретает энергию, превышающую (млн. равную) работу выхода… … Большая политехническая энциклопедия

• термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми твёрдыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов при их тепловом возбуждении. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при… … Энциклопедический словарь

• Термоэлектронная эмиссия — 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… … Большая советская энциклопедия

• ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — 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… … Энциклопедия Кольера

• термоэлектронная эмиссия — termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: angl. thermoelectronic emission rus. термоэлектронная эмиссия … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, 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.

«ЭФФЕКТ ЭДИСОНА» И РАДИО

Во время своих опытов еще в 1875 году Эдисон столкнулся с необъяснимым в то время фактом получения искры из изолированных предметов, находящихся вблизи электрического разряда. Работая с электромагнитом, он увидел однажды сильную искру, возникшую на сердечнике в момент выключения тока в обмотке. Заинтересовавшись, он продолжал опыт и убедился, что искра возникает при прикосновении к любой металлической части электромагнита. Возникновение искры не зависело ни от расположения полюсов, ни от изоляции обмотки и не оказывало воздействия ни на лейденскую банку, ни на гальванометр. Эдисон убедился, что имеет дело с каким-то новым явлением, которое решил изучить. Он сделал запись об этом в своей записной книжке, назвав это явление «эфирной силой». Однако в это же время появился патент Белла, и Эдисон с головой ушел в работу над телефоном. Опыты с «эфирной силой» были оставлены. Эдисон тогда не подозревал, что здесь он впервые столкнулся с областью радио. В 1883 году Эдисон, работая над усовершенствованием угольных ламп, обнаружил, что между накаленной нитью и изолированным от нити электродом, введенным в баллон лампы, протекает ток даже в том случае, когда воздух из лампы выкачан. Никакого свечения внутри баллона не наблюдается. Это явление позднее получило название «эффекта Эдисона».

Явление это заинтересовало Эдисона. Не умея его объяснить, он подробно записал его и даже взял на это открытие патент. Он изготовил лампу с добавочным электродом и отправил ее на Филадельфийскую выставку. Эдисон не занялся изучением этого явления, так как все его силы были направлены на внедрение электрического освещения. Сразу же усмотреть в этом явлении открытие огромной важности, которое оно в действительности представляло, Эдисон не смог.

Между тем это была, по существу, первая электронная лампа, и Эдисон наблюдал в ней поток электронов, так называемую термоэлектронную эмиссию. В 1887 году выдающийся английский физик Джозеф Томсон открыл электронную природу «эффекта Эдисона». Таким образом, имя Эдисона связано с величайшим шагом в учении о материи — с открытием электрона. Сам же Эдисон остался в стороне от этих событий и к открытому им явлению больше не возвращался.

В журнале «Инжиниринг» от 12 декабря 1884 года помещена об этом лишь небольшая заметка под названием «Явление в лампочке Эдисона». И только сорок лет спустя в изданном Французским физическим обществом сборнике крупнейших работ, касающихся условий наблюдения наэлектризованных центров, ионов, электронов, мы находим целиком эту небольшую историческую заметку, которая гласит:

«В отделе Эдисона на выставке в Филадельфии демонстрировалось следующее интересное явление.

В лампочке накаливания Эдисона под угольной нитью на равном расстоянии от ее концов помещался изолированный электрод, состоящий из полоски платины; верхний край этого электрода отстоял от нити приблизительно на 1/2г дюйма.

Когда при зажигании лампы между электродом и одним концом нити включался гальванометр, то он показывал ток, направление которого изменялось в зависимости от того, приключался ли гальванометр к положительному или отрицательному полюсу угольной нити. Это указывало на то, что внутри лампы через вакуум проходил ток.

При включении гальванометра к положительному полюсу нити этот ток увеличивался во много раз.

Ток, отмечаемый гальванометром, возрастал также и при увеличении тока накала лампы.

После работы лампы в течение некоторого времени ток в гальванометре, включенном между платиновым электродом и положительным полюсом нити, ослабевал; возможно, что это происходило вследствие явления поляризации, наблюдавшегося Эдландом при его исследованиях разрядов в вакууме.

Когда лампа выключалась на некоторое время, то после этого ток снова восстанавливался. Кроме того, удавалось получить ток, проходящий через стеклянный баллон лампы при помещении платинового электрода с внешней стороны баллона.

В описываемых опытах наблюдается, по-видимому, явление рассеяния заряженных частиц воздуха (или угля) в «прямолинейных» направлениях от нити накала».

В дальнейшем «эффект Эдисона» изучался целым рядом физиков, причем оказалось, что все тела в накаленном состоянии обладают в большей или меньшей степени способностью испускать свободные электроны, перенос которых под влиянием приложенного напряжения образует ток. Были открыты вещества, испускающие очень большое количество электронов при сравнительно небольших нагревах (катод Ве-нельта), однако долгое время это явление не выходило из стен физических лабораторий. Лишь двадцать лет спустя Венельт применил это явление для получения небольших выпрямителей тока, используя униполярную проводимость прибора с одним накаленным и одним холодным катодом. В 1904 году Джон Амброз Флеминг открыл, что электрическая лампа накаливания с угольной нитью, окруженная металлической пластинкой, действует как выпрямитель для высокочастотных колебаний и может быть поэтому использована в качестве детектора для радиосигналов. Незадолго до войны Маркони начал применять в качестве детектора выпрямители Венельта, и, наконец, в 1905 году Ли де Форест один из первых построил трехэлектродную лампу, в которой газовый разряд, обусловленный электронным потоком накаленной нити, управлялся при помощи сеточного электрода. С этого времени начинается эра катодных ламп.

Смело можно сказать, что применение «эффекта», который привлек к себе так мало внимания самого Эдисона, стало одной из характернейших черт современной техники. Однако роль «эффекта Эдисона» была полностью оценена лишь в дальнейшем. Открытие «эффекта Эдисона» явилось фундаментом развития современных электронных ламп — основы крупной радиопромышленности сегодняшнего дня.

14 мая 1885 года, то есть за десять лет до изобретения радио, Эдисон подал заявку для получения патента на «передачу без проводов сигналов азбуки Морзе». В своих проспектах 1886 года Эдисон говорит о том, что это его изобретение, основанное на так называемой «электростатической индукции», имеет огромное значение для железных дорог (связь движущегося поезда с неподвижной станцией), пароходов и т. п.

Система «беспроволочного» поездного телеграфа Эдисона была испытана в 1887 году на дороге и успешно действовала. Вдоль пути был протянут телеграфный провод на столбах, более низких, чем обыкновенные. Один аппарат помещался на сигнальных станциях, расположенных вдоль пути, а другой — в мимо проходящих вагонах. На этих вагонах прокладывались металлические бруски, соединенные с телеграфным аппаратом, несколько измененным прибавлением наушника и телефонной трубки. Такие же приспособления имелись и на сигнальных станциях. При телеграфировании пластинка все время вибрировала. Оператор при помощи ключа разделял эти вибрации на короткие и длинные сигналы азбуки Морзе. Они индуктивно передавались по проволоке в вагон или обратно на расстояние до пятнадцати метров. Телефонная трубка позволяла ясно разобрать полученные сигналы. Это был своеобразный «беспроволочный» телеграф (в общежитии получивший название «кузнечик-телеграф»), но не радиотелеграф.

Эдисон не явился изобретателем радиотелеграфа. Однако следующий факт говорит о весьма существенном значении вышеназванного патента Эдисона. В 1903 году Маркони должен был купить этот патент для того, чтобы основанное им Общество беспроволочной телеграфии могло открыть свои действия в Америке. Характерно, что Эдисон передал этот свой патент именно обществу Маркони, а не другому, которое усиленно этого добивалось. Эдисон полагал, что его патент, очутившись в руках конкурентов молодого Маркони, мог бы причинить последнему много хлопот. Это характеризует отношение Эдисона к изобретателям, которых он ценил, проявляя активный интерес к ним в то время, когда они боролись за свои изобретения. Много лет спустя, когда Маркони в 1930 году передавал по радио приветствия из Лондона одновременно заседавшим Светотехническому конгрессу в Сан-Франциско и Второму мировому энергетическому конгрессу в Берлине, то в своей речи он сказал об Эдисоне: «Я лично никогда не забуду того поощрения и дружбы, которые мистер Эдисон так щедро мне оказывал в начале моих работ».

С именем Маркони связывают изобретение радиотелеграфа. Однако, как это будет дальше описано, наш соотечественник Александр Степанович Попов не только первый осуществил радиопередачу, но и дал основные принципы радиопередачи.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Термоэлектронная эмиссия. Формула Ричардсона-Дешмана

Термоэлектронная эмиссия —это испускание электронов нагретыми метал­лами. Концентрация свободных электро­нов в металлах достаточно высока, поэто­му даже при средних температурах вслед­ствие распределения электронов по скоро­стям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для прео­доления потенциального барьера на гра­нице металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше ра­боты выхода, растет и явление термоэлек­тронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термо­электронной эмиссии можно провести с по­мощью простейшей двухэлектродной лам­пы — вакуумного диода,представляюще­го собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. Если поддерживать температуру на­каленного катода постоянной и снять за­висимость анодного тока Iа от анодного напряжения Ua — вольт-амперную харак­теристику, то оказывается, что она не является линейной, т. е. для ваку­умного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока I от анодного напряжения в области малых положительных значений U описывается законом трех вторых: I=BU3/2, где В — коэффициент, зависящий от фор­мы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максималь­ного значения Iнас, называемого током на­сыщения.Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определя­ется формулой Ричардсона — Дешмана,выведенной теоретически на основе кван­товой статистики: jнас=CT2e-A/(kT), где А — работа выхода электронов из ка­тода, Т — термодинамическая температу­ра, С — постоянная, теоретически одина­ковая для всех металлов. Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока на­сыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый ок­сидом щелочно-земельного металла).

Явление термоэлектронной эмиссии ис­пользуется в приборах, в которых необхо­димо получить поток электронов в вакуу­ме, например в электронных лампах, рен­тгеновских трубках, электронных микро­скопах и т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямле­ния переменных токов, усиления электри­ческих сигналов и переменных токов, гене­рирования электромагнитных колебаний и т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

2. Явление термоэлектронной эмиссии

Термоэлектронная эмиссия является одним из видов эмиссии электронов поверхностью твердого тела. В случае термоэлектронной эмиссии внешнее воздействие связано с нагреванием твердого тела.

Явлением термоэлектронной эмиссии называется испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду.

В условиях термодинамического равновесия число электронов n(Е), имеющих энергию в интервале отЕдоЕ+dЕ, определяется статистикой Ферми-Дирака:

, (1)

где g(Е)– число квантовых состояний, соответствующих энергииЕ;ЕF– энергия Ферми;k– постоянная Больцмана;Т– абсолютная температура.

На рис. 4 показаны энергетическая схема металла и кривые распределения электронов по энергиям при Т=0 К, при низкой температуреТ1и при высокой температуреТ2. При 0 К энергия всех электронов меньше энергии Ферми. Ни один из электронов покинуть кристалл не может и никакой термоэлектронной эмиссии не наблюдается. С увеличением температуры возрастает число термически возбужденных электронов, способных выйти из металла, что обусловливает явление термоэлектронной эмиссии. На рис. 4 это иллюстрируется тем, что приТ=Т2″хвост» кривой распределения заходит за нулевой уровень потенциальной ямы. Это свидетельствует о появлении электронов, обладающих энергией, превышающей высоту потенциального барьера.

Для металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт. Энергия kТдаже при температуре в тысячи Кельвинов составляет доли электрон-вольт. Для чистых металлов значительная эмиссия электронов может быть получена при температуре порядка 2000 К. Например, в чистом вольфраме заметную эмиссию можно получить при температуре 2500 К.

Для исследования термоэлектронной эмиссии необходимо создать у поверхности нагретого тела (катода) электрическое поле, ускоряющее электроны для их удаления (отсасывания) от поверхности эмиттера. Под действием электрического поля эмиттированные электроны приходят в движение и образуется электрический ток, который называется термоэлектронным. Для наблюдения термоэлектронного тока обычно используют вакуумный диод – электронную лампу с двумя электродами. Катодом лампы служит нить из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена и др.), накаливаемая электрическим током. Анод обычно имеет форму металлического цилиндра, окружающего накаливаемый катод. Для наблюдения термоэлектронного тока диод включают в цепь, изображенную на рис. 5. Очевидно, что сила термоэлектронного тока должна расти с увеличением разности потенциаловVмежду анодом и катодом. Однако это возрастание идет не пропорциональноV(рис. 6). По достижении определенного напряжения нарастание термоэлектронного тока практически прекращается. Предельное значение термоэлектронного тока при данной температуре катода называется током насыщения. Величина тока насыщения определяется количеством термоэлектронов, которые в состоянии выйти с поверхности катода за единицу времени. В этом случае все электроны, поставляемые в результате термоэлектронной эмиссии из катода, задействованы для образования электрического тока.