ТОП 10:

Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия



 

Электроны в металле можно рассматривать как электронный газ, подчиняющийся законам молекулярно-кинетической теории. Электроны как и молекулы находятся в состоянии непрерывного теплового движения (см. например п.5.7).

Если электрон получит энергию Ек, достаточную для совершения работы выхода А, то он может покинуть металл (см. также формулу 5.11). Такую энергию электрон может приобрести при нагревании металла. Испускание электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Металл при этом приобретает положительный потенциал, а около его поверхности образуется электронное облако с отрицательным потенциалом. Электроны, покидая металл, должны преодолеть эту разность потенциалов (е – заряд электрона). Если электроны ускорить электрическим полем, то возникает электрический ток. Такой ток может быть получен в вакууме, где движению электронов не мешают молекулы газа (например, в электронной лампе между нагретым катодом и анодом). Зависимость величины анодного тока Ia от разности потенциалов между анодом и катодом показана на рис. 6.4. При увеличении Δφ ток растет и достигает насыщения IН, когда все испущенные при данной температуре электроны достигают анода.

 

 

Рис.6.4

 

Зависимость анодного тока Ia от Δφ выражается формулой Богуславского – Ленгмюра:

 

Ia = α(Δφ)3/2,

 

где α – коэффициент, зависящий от формы, материала электродов. Плотность тока насыщения jн определяется формулой Ричардсона – Дешмана:

 

jн = СТ2 ехр (-А/kT),

 

где С – константа; Т – температура катода; А – работа выхода электрона; k – постоянная Больцмана.

Для снижения работы выхода и, следовательно, для увеличения Iн катоды покрывают пленкой другого металла с меньшей А.

 

 

Электрический ток в газах

 

Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Для того, чтобы газы проводили ток, их нужно ионизировать. Для удаления электрона из электрически нейтрального атома нужно затратить энергию, называемую энергией ионизации Еj (см. формулу 5.38). Величина Еj зависит от природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Ионизацию газа можно осуществлять при его нагревании, при облучении ультрафиолетовыми, рентгеновскими или γ – лучами, при воздействии быстрых частиц.

При ионизации нейтрального атома (молекулы) образуется сразу пара ионов противоположного знака. Количество пар ионов, возникающих в единице объема в единицу времени, называется интенсивностью ионизации. Процесс ионизации неизбежно сопровождается обратным процессом – рекомбинацией.

Прохождение тока через газ называется газовым разрядом. Существует два вида разряда: несамостоятельный и самостоятельный. Если электропроводность газа обусловлена действием внешних ионизаторов, то разряд называется несамостоятельным.

 

а) б)

Рис.6.5

Газовый разряд можно наблюдать с помощью схемы (рис.6.5, а). Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 6.5, б.

Ионизатор И.О., вызывая ионизацию атомов газа, обеспечивает ему при малой разности потенциалов Δφ между катодом К и анодом А газовой трубки некоторую электропроводимость. При небольших значениях Δφ и постоянной интенсивности ионизации сила тока I пропорциональна Δφ (участок ОА на рис.6.5, б). Закон Ома для этого участка можно записать

,

где n – число пар (одновалентных) ионов в единице объема; е – заряд иона;

U+ и U- - подвижность положительных и отрицательных ионов;

Е – напряженность электрического поля в трубке.

При увеличении Δφ > ΔφА линейная зависимость I = f (Δφ) нарушается и при Δφ = ΔφВ ток достигает насыщения. Это означает, что все ионы, созданные И.О., достигают анода. В области ВС ток не растет. Далее с ростом Δφ скорость ионов сильно возрастает mV2/2 = e · Δφ и при Δφ = Δφс кинетическая энергия ионов становится достаточной, чтобы при столкновениях с нейтральными атомами ионизировать их (ионизация ударом). Число ионов в газе резко возрастает и разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный. Т.е. ионизатор теперь можно выключить, разряд уже не будет зависеть от его мощности. Однако для поддержания самостоятельно разряда необходимо, чтобы не только электроны, но и положительные ионы под действием поля в трубке приобретали кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. Необходимо наличие двух встречных «лавин» положительных и отрицательных ионов. Переход разряда в самостоятельный называется электрическим газовым пробоем. Различают четыре вида самостоятельной разряда: тлеющий, искровой, дуговой, коронный.

В некоторых газовых разрядах степень ионизации газа может стать очень большой. Концентрация ионов обоих знаков очень велика, но суммарный заряд газа близок к нулю. Такой газ называется плазмой. Это особое состояние вещества. Любое вещество при высокой температуре может быть переведено в плазменное состояние – высокотемпературная плазма (в недрах звезд ~ 108 К). Плазма, возникающая в газовом разряде, называется газоразрядной. Для того, чтобы плазма существовала устойчиво, для этого необходимо восполнять убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это достигается за счет термоионизации, в газоразрядной плазме за счет ионизации ударом. Высокая электропроводность плазмы объясняется в основном большой подвижностью и концентрацией электронов.

Основы термодинамики







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-09; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.207.240.230 (0.006 с.)