ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
В современной технике широко применяются электровакуумные приборы (электронные лампы, вакуумные фотоэлементы), в которых обеспечиваются условия для возникновения и поддержания электрического тока в среде, не обладающей электропроводностью. Рассмотрим ДВ^Л^ЛСА 1 ---------J v ^ г,0казана на рис. 2.4. Два металлических электрода, находящихся внутри стеклянного или металлического баллона, из ко-горого удален воздух, имеют выводы наружу, что позволяет ,¦0двести к ним электрическое напряжение. Один электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения и называется катодом К. Другой электрод соединен с положительным полюсом источника и называется анодом А. Разность потенциалов между электродами в вакууме создает электрическое поле, которое необходимо для возникновения и поддержания электрического тока между электродами. Однако этого условия недостаточно. Электрический ток не может возникнуть, если внутри баллона нет свободных заряженных частиц. Для того чтобы ток возник и поддерживался, необходимо в пространство между электродами непрерывно вводить свободные заряженные частицы. В электровакуумных приборах для этого используется физический процесс выхода свободных электронов из катода—электронная эмиссия. Выход свободных электронов из металла может быть и при нормальной температуре. Но отделившиеся от металла электроны не могут удалиться более чем на несколько межатомных расстояний, так как металл, заряженный положительно, электростатическими силами притягивает их обратно. Процессы испускания и поглощения электронов металлом идут одновременно, поэтому около катода имеется электронное облако, которое тоже препятствует выходу электронов из металла. Электрическое поле между металлом и электронным облаком создает для свободных электронов на границе металл — вакуум потенциальный барьер с разностью потенциалов U0. Без специальных мер по увеличению кинетической энергии свободных электронов до величины, при которой возможно преодоление потенциального барьера, электронная эмиссия проявляется настолько слабо, что практически ее использовать нельзя. Электрон может преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла, если ему извне сообщить дополнительную энергию, равную работе, которая затрачивается на перемещение электрона через поверхностный слой на границе металла с вакуумом. Величина этой работы, равная произведению заряда электрона е и напряжения U0, называется работой выхода: тенциального ящика с плоским дном и вертикальными стенками высотой, равной ра-Рис. 2.5 боте выхода А0 (рис. 2.5). Вольт-амперные характеристики электровакуумных приборов Одним из способов увеличения электронной эмиссии является нагревание металла. В этом случае эмиссия электронов называется термоэлектронной. В электронной лампе источником свободных электронов (эмиттером) является катод, нагретый до определенной температуры; например, рабочая температура катода из вольфрама 2250—2550° С. Применение в качестве эмиттеров материалов, характеризующихся меньшей работой выхода, чем вольфрам (окислы бария, стронция), позволяет значительно снизить рабочую температуру катода (до 550—1000° С). Электроны, перешедшие из катода в вакуум, под действием электрического поля направляются на анод. При таких условиях промежуток между электродами электронной лампы является проводящим, а в цепи рис. 2.4 устанавливается электрический ток, называемый анодным (7а). Величина анодного тока зависит от различных факторов, важнейшими из которых являются температура катода / и напряжение между электродами ил. Эти зависимости, названные вольт-амперными (анодными) характеристиками, показаны на рис. 2.6. С ростом напряжения ток сначала медленно, а затем резко возрастает, что объясняется увеличением скорости движения электронов к аноду. При некоторой величине Ua и температуре катода анодный ток достигает тока эмиссии /э1, когда все электроны покинувшие катод, достигают анода. Пологий участок вольт- амперной характеристики называется участком насыщения. При увеличении температуры ток эмиссии возрастает, а пологий участок кривой Ia(Ua) располагается на графике выше. Если потенциал катода оказывается выше потенциала анода (F„<0), то ток в цепи практически равен нулю: электрическое поле направлено от катода к аноду; электроны, вылетевшие из катода, не могут достигнуть анода, так как под действием поля возвращаются на катод. Это «запирающее» свойство диода используется для выпрямления переменного тока. Кроме двухэлектродной лампы в радиоэлектронике широко применяются трехэлектродные и многоэлектродные лампы, которые тоже имеют нелинейные вольт-амперные характеристики. Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, может быть сообщена электронам излучением (ви- димый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи и другие излучения). Явление выхода электронов из металла под действием лучистой энергии — фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) — было обнаружено в 1888 г. профессором Московского университета А. Г. Столетовым. В качестве эмиттера фотоэлектрических катодов используются щелочноземельные элементы. Фотокатоды применяются в электронных приборах, реагирующих на излучения; эти приборы называются фотоэлементами. Если анод имеет положительный потенциал относительно катода, то в электрической цепи, содержащей фотоэлемент с внешним фотоэффектом, устанавливается фототок, зависящий от ряда факторов, в том числе от интенсивности освещения, длины волны излучения и напряжения между анодом и катодом. На рис. 2.7 представлены вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента с сурьмяно-цезиевым фотокатодом. Каждая из них соответствует определенному световому потоку, действующему на фотокатод. Энергия электронов может быть повышена бомбардировкой поверхности проводника потоком быстродвижущихся электронов, называемых первичными. Электроны, покинувшие проводник в результате его бомбардировки первичными электронами, называются вторичными, а само явление выхода электронов —вторичной электронной эмиссией. Вторичная эмиссия может быть результатом бомбардировки проводника не только электронами, но и положительными ионами и другими частицами. Несмотря на то что в некоторых приборах вторичная эмиссия явление нежелательное, иногда ее все же используют. Электроны из проводника могут быть вырваны действием сильного электрического поля (напряженность порядка В/см). Такая эмиссия называется автоэлектронной или холодной. В приборах, работающих по принципу холодной эмиссии, наиболее распространен ртутный катод. 2. Что называется работой выхода электронов? 3. Объясните явление термоэлектронной эмиссии. 4. Объясните ход кривой, показывающей зависимость анодного тока диода от анодного напряжения. Как влияет на ход этой кривой изменение температуры? 5. В чем состоит явление фотоэлектронной эмиссии? 6. Что такое вторичная эмиссия, автоэлектронная эмиссия?