Prowadzi to do pojawienia się obecnych nośników w próżni. Prąd elektryczny w próżni. Emisja elektroniczna

Zanim zaczęto używać radiotechniki urządzenia półprzewodnikowe, wszędzie używano lamp próżniowych.

Pojęcie próżni

Rura próżniowa była szklaną rurą uszczelnioną na obu końcach, z katodą po jednej stronie i anodą po drugiej. Gaz został wypchnięty z rurki do takiego stanu, że cząsteczki gazu mogły przelecieć od jednej ściany do drugiej bez kolizji. Ten stan gazu nazywa się próżnia. Innymi słowy, próżnia jest bardzo rozrzedzonym gazem.

W takich warunkach przewodnictwo wewnątrz lampy można zapewnić jedynie poprzez wprowadzenie do źródła naładowanych cząstek. Aby naładowane cząstki pojawiły się wewnątrz lampy, wykorzystali taką właściwość ciał, jak emisja termionowa.

Emisja termionowa to zjawisko emisji elektronów przez ciało pod wpływem wysoka temperatura. W bardzo wielu substancjach emisja termojonowa zaczyna się w temperaturach, w których nie może się jeszcze rozpocząć parowanie samej substancji. W lampach z takich substancji wykonano katody.

Prąd elektryczny w próżni

Katoda została następnie podgrzana, w wyniku czego zaczęła stale emitować elektrony. Elektrony te utworzyły chmurę elektronów wokół katody. Po podłączeniu do elektrod źródła zasilania tworzą się między nimi pole elektryczne.

W tym przypadku, jeśli biegun dodatni źródła jest połączony z anodą, a biegun ujemny z katodą, to wektor natężenia pole elektryczne będzie skierowany w stronę katody. Pod wpływem tej siły część elektronów wyłamuje się z chmury elektronów i zaczyna poruszać się w kierunku anody. W ten sposób wytwarzają prąd elektryczny wewnątrz lampy.

Jeżeli lampa jest podłączona inaczej, biegun dodatni jest połączony z katodą, a biegun ujemny z anodą, wówczas natężenie pola elektrycznego będzie skierowane od katody do anody. To pole elektryczne wypchnie elektrony z powrotem w kierunku katody i nie będzie przewodzenia. Obwód pozostanie otwarty. Ta właściwość nazywa się przewodzenie jednostronne.

dioda próżniowa

Wcześniej przewodnictwo jednokierunkowe było szeroko stosowane w urządzeniach elektronicznych z dwiema elektrodami. Takie urządzenia nazywano diody próżniowe. Pełniły kiedyś rolę, jaką teraz odgrywają diody półprzewodnikowe.

Najczęściej używany do prostowania prądu elektrycznego. W ten moment Diody próżniowe praktycznie nigdzie nie są używane. Zamiast tego cała postępowa ludzkość używa diod półprzewodnikowych.

Próżnia to stan gazu rozrzedzonego, w którym średnia droga wolna cząsteczekλ jest większa niż wielkość naczynia d, w którym znajduje się gaz.

Z definicji próżni wynika, że ​​\u200b\u200bpraktycznie nie ma interakcji między cząsteczkami, dlatego nie może wystąpić jonizacja cząsteczek, dlatego nie można uzyskać nośników ładunków swobodnych w próżni, dlatego niemożliwy jest w nim prąd elektryczny;
Aby wytworzyć prąd elektryczny w próżni, musisz umieścić w niej źródło wolnych naładowanych cząstek. Elektrody metalowe podłączone do źródła prądu są umieszczane w próżni. Jedna z nich jest podgrzewana (nazywana katodą), w wyniku której zachodzi proces jonizacji, tj. elektrony są emitowane z substancji, powstają jony dodatnie i ujemne. Działanie takiego źródła naładowanych cząstek może opierać się na zjawisku emisji termojonowej.

Emisja termionowa to proces emitowania elektronów z rozgrzanej katody. Zjawisko emisji termoelektrycznej prowadzi do tego, że rozgrzana metalowa elektroda w sposób ciągły emituje elektrony. Elektrony tworzą chmurę elektronów wokół elektrody. Elektroda jest naładowana dodatnio i pod wpływem pola elektrycznego naładowanej chmury elektrony z chmury częściowo wracają do elektrody. W stanie równowagi liczba elektronów opuszczających elektrodę na sekundę jest równa liczbie elektronów powracających do elektrody w tym czasie. Im wyższa temperatura metalu, tym wyższa gęstość chmury elektronowej. Praca, którą elektron musi wykonać, aby opuścić metal, nazywana jest funkcją pracy A na zewnątrz.

[A out] = 1 eV

1 eV to energia, którą elektron uzyskuje podczas poruszania się w polu elektrycznym między punktami o różnicy potencjałów 1 V.

1 eV \u003d 1,6 * 10 -19 J

Różnica temperatur elektrody gorącej i zimnej wlutowanej do naczynia, z którego odprowadzane jest powietrze, prowadzi do jednostronnego przewodzenia między nimi prądu elektrycznego.

Gdy elektrody są podłączone do źródła prądu, między nimi powstaje pole elektryczne. Jeżeli biegun dodatni źródła prądu jest podłączony do elektrody zimnej (anody), a biegun ujemny do elektrody grzanej (katody), to wektor natężenia pola elektrycznego jest skierowany w stronę elektrody grzanej. Pod działaniem tego pola elektrony częściowo opuszczają chmurę elektronów i poruszają się w kierunku zimnej elektrody. Obwód elektryczny jest zamknięty i powstaje w nim prąd elektryczny. Przy przeciwnej biegunowości załączenia źródła, natężenie pola kierowane jest z elektrody rozgrzanej na elektrodę zimną. Pole elektryczne odpycha elektrony z chmury z powrotem do rozgrzanej elektrody. Obwód jest otwarty.

Urządzenie, które przewodzi prąd elektryczny w jednym kierunku, nazywa się diodą próżniową. Składa się z lampy elektronowej (naczynia), z której wypompowywane jest powietrze iw której znajdują się elektrody podłączone do źródła prądu. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody próżniowej. Zarejestruj sekcje charakterystyk I-V trybu przepustowości diody i zamknięte? Przy niskich napięciach na anodzie nie wszystkie elektrony emitowane przez katodę docierają do anody, a prąd elektryczny jest niewielki. Przy wysokich napięciach prąd osiąga nasycenie, tj. maksymalna wartość. Dioda próżniowa służy do prostowania przemiennego prądu elektrycznego. Obecnie diody próżniowe praktycznie nie są używane.

Jeśli w anodzie lampy próżniowej zrobiony zostanie otwór, to część elektronów przyspieszonych przez pole elektryczne wleci do tego otworu, tworząc wiązkę elektronów za anodą. Wiązka elektronów jest przepływ szybko lecących elektronów w lampach elektronowych i urządzeniach wyładowczych.

Właściwości wiązek elektronów:
- odchylać się w polach elektrycznych;
- odchylać się w polach magnetycznych pod działaniem siły Lorentza;
- podczas zwalniania wiązki padającej na substancję wytwarzane są promienie rentgenowskie;
- powoduje luminescencję (luminescencję) niektórych ciał stałych i ciała płynne;
- podgrzej substancję, spadając na nią.

Lampa elektronopromieniowa (CRT).
CRT wykorzystuje zjawiska emisji termionowej i właściwości wiązek elektronów.

W dziale elektronowym elektrony emitowane przez rozgrzaną katodę przechodzą przez elektrodę siatki kontrolnej i są przyspieszane przez anody. Działo elektronowe skupia wiązkę elektronów w punkcie i zmienia jasność poświaty na ekranie. Odchylenie w poziomie i płyty pionowe pozwalają przenieść wiązkę elektronów na ekranie w dowolne miejsce na ekranie. Ekran tuby pokryty jest luminoforem, który świeci pod wpływem bombardowania elektronami.

Istnieją dwa rodzaje rurek:
1) z elektrostatyczną kontrolą wiązki elektronów (odchylenie wiązki elektronów tylko przez pole elektryczne);
2) ze sterowaniem elektromagnetycznym (dodawane są cewki odchylania magnetycznego).
W lampach katodowych powstają wąskie wiązki elektronów, sterowane elektrycznie i pola magnetyczne. Wiązki te znajdują zastosowanie w kineskopach telewizyjnych, wyświetlaczach komputerowych, oscyloskopach elektronicznych w technice pomiarowej.

Pod próżnia zrozumieć taki stan gazu w naczyniu, w którym swobodna droga naładowanych cząstek przekracza wymiary naczynia, w którym znajduje się gaz.

Próżnia jest idealnym izolatorem, ponieważ nie ma w niej bezpłatnych nośników opłat. Aby prąd mógł przepływać przez przestrzeń, w której powstaje wysoka próżnia, konieczne jest sztuczne wprowadzenie do tej przestrzeni źródła wolnych ładunków. Można to zrobić za pomocą emisji termoelektrycznej, umieszczając metalowy drut w próżni, który można włączyć do obwód elektryczny. Kiedy przepływa przez niego prąd elektryczny, drut nagrzewa się, a swobodne elektrony metalu uzyskują energię wystarczającą do wykonania funkcji pracy i opuszczając metal, tworzą w jego pobliżu chmurę elektronów. W tym przypadku drut jest naładowany dodatnio i pod wpływem pola elektrycznego elektrony z chmury częściowo wracają do elektrody. W stanie równowagi liczba elektronów opuszczających elektrodę na sekundę jest równa liczbie elektronów powracających do elektrody w tym czasie. Im wyższa temperatura metalu, tym wyższa gęstość chmury elektronowej.

Do wystąpienia prądu konieczny jest dodatkowy warunek - wytworzenie pola elektrycznego, pod wpływem którego elektrony będą się poruszać w określonym kierunku.

Prąd w próżni to przepływ elektrony. Różnica pomiędzy gorącą i zimną elektrodą wlutowaną do naczynia prowadzi do jednostronnego przewodzenia między nimi prądu elektrycznego. Gdy elektrody są podłączone do źródła prądu, między nimi powstaje pole elektryczne. Jeżeli biegun dodatni źródła połączony jest z zimną elektrodą (anodą), a biegun ujemny z grzaną (katodą), to natężenie pola elektrycznego jest skierowane w stronę grzanej elektrody. Pod działaniem tego pola elektrony częściowo opuszczają chmurę elektronów i poruszają się w kierunku zimnej elektrody. Obwód elektryczny jest zamknięty i powstaje w nim prąd elektryczny. Gdy źródło jest włączone w przeciwnym kierunku, siła pola jest kierowana z katody do anody. Pole elektryczne wypycha elektrony chmury z powrotem w kierunku katody. Obwód jest otwarty i nie ma prądu w obwodzie. Dlatego dioda ma przewodnictwo jednokierunkowe.

Literatura

Aksenovich L. A. Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 294-295.

Najważniejsze urządzenia w elektronice pierwszej połowy XX wieku. istniały lampy próżniowe, które wykorzystywały prąd elektryczny w próżni. Zostały one jednak zastąpione urządzeniami półprzewodnikowymi. Ale nawet dzisiaj prąd próżniowy jest używany w lampach elektronopromieniowych, w topieniu próżniowym i spawaniu, w tym w kosmosie, oraz w wielu innych instalacjach. To decyduje o znaczeniu badania prądu elektrycznego w próżni.

Próżnia (od łac. próżnia - pustka) - stan gazu przy ciśnieniu niższym od atmosferycznego. Ta koncepcja jest stosowana do gazu w zamkniętym naczyniu lub w naczyniu, z którego gaz jest wypompowywany, a często do gazu w wolna przestrzeń, na przykład w kosmos. cechy fizyczne próżnia to stosunek między swobodną drogą cząsteczek a rozmiarem naczynia, między elektrodami urządzenia itp.

Kiedy rozmawiamy o próżni, z jakiegoś powodu uważają, że jest to całkowicie pusta przestrzeń. W rzeczywistości tak nie jest. Jeśli powietrze zostanie wypompowane z naczynia, liczba znajdujących się w nim cząsteczek z czasem się zmniejszy, chociaż usunięcie wszystkich cząsteczek z naczynia jest niemożliwe. Kiedy więc możemy założyć, że w naczyniu powstała próżnia?

Cząsteczki powietrza, poruszając się losowo, często zderzają się ze sobą oraz ze ścianami naczynia. Pomiędzy takimi zderzeniami molekuły pokonują pewne odległości, które nazywane są średnią drogą swobodną molekuł. Oczywiste jest, że kiedy powietrze jest wypompowywane, stężenie cząsteczek (ich liczba na jednostkę objętości) spada, a średnia droga swobodna wzrasta. A potem nadchodzi moment, w którym średnia droga swobodna staje się równa wielkości naczynia: cząsteczka przemieszcza się od ściany do ściany naczynia, praktycznie nie spotykając się z innymi cząsteczkami. To wtedy uważają, że w naczyniu powstała próżnia, chociaż wciąż może być w nim wiele cząsteczek. Oczywiste jest, że w mniejszych naczyniach próżnia powstaje przy wyższym ciśnieniu gazu niż w dużych naczyniach. Jeśli nadal będziesz wypompowywać powietrze ze statku, mówią, że powstaje w nim głębsza próżnia. W głębokiej próżni cząsteczka może wielokrotnie przelatywać od ściany do ściany, zanim napotka inną cząsteczkę. Praktycznie niemożliwe jest wypompowanie wszystkich cząsteczek z naczynia. Skąd w próżni biorą się darmowe nośniki? Jeśli w naczyniu powstanie próżnia, to nadal jest w nim wiele cząsteczek, niektóre z nich mogą zostać zjonizowane. Ale w takim naczyniu jest niewiele naładowanych cząstek, które wykrywają zauważalny prąd. Jak zdobyć wystarczającą ilość bezpłatnych nośników opłat w próżni? Jeśli ogrzejesz przewodnik, przepuszczając przez niego prąd elektryczny lub w inny sposób, to część wolne elektrony w metalu będzie miał wystarczająco dużo energii, aby wyjść z metalu (wykonaj funkcję pracy).

Emisja termionowa. Podłączmy pręt naładowanego elektrometru do jednej elektrody szklanej bańki próżniowej, a korpus elektrometru do drugiej elektrody, która jest cienką metalową nitką (ryc. 12). Doświadczenie pokaże, że elektrometr nie rozładowuje się.

Ryż. 12

Nie ma prądu elektrycznego między dwiema elektrodami umieszczonymi w szczelnym naczyniu, z którego usuwane jest powietrze i pod napięciem, ponieważ w próżni nie ma wolnych nośników ładunku elektrycznego. Amerykański naukowiec i wynalazca Thomas Edison (1847-1931) odkrył (1879), że prąd elektryczny powstaje w szklanej bańce próżniowej, jeśli jedna z elektrod zostanie podgrzana do wysokiej temperatury.

Podłącz źródło prądu do zacisków metalowego żarnika. Jeśli żarnik jest podłączony do ujemnego bieguna źródła, to po podgrzaniu elektrometr szybko się rozładowuje. Gdy nić jest podłączona do bieguna dodatniego, elektrometr nie rozładowuje się, nawet gdy nić jest podgrzewana przez prąd. Eksperymenty te dowodzą, że rozgrzana katoda emituje cząstki, które mają negatyw ładunek elektryczny. Te cząstki to elektrony. Zjawisko emisji swobodnych elektronów z powierzchni nagrzanych ciał nazywamy emisją termionową.

Dioda. Emisja termoelektryczna jest wykorzystywana w różnych urządzeniach elektronicznych. Najprostszym z nich jest dioda elektropróżniowa. To urządzenie składa się ze szklanego pojemnika, w którym znajdują się dwie elektrody: katoda i anoda. Anoda wykonana jest z metalowej płytki, katoda z cienkiego metalowego drutu zwiniętego w spiralę. Końce spirali są zamocowane na metalowych prętach z dwoma przewodami do podłączenia do obwodu elektrycznego. Podłączając przewody katodowe do źródła prądu, możliwe jest nagrzanie spirali drutu katodowego przez przepływający prąd do wysokiej temperatury. Cewka drutu nagrzana prądem elektrycznym nazywana jest żarnikiem lampy. Symbol diody próżniowej pokazano na rysunku 13.

Ryż. trzynaście

Zastosowanie diody. Poprzez włączenie diody próżniowej do obwodu elektrycznego połączonego szeregowo ze źródłem prąd stały a amperomierzem można wykryć główną właściwość diody stosowanej w różnych urządzeniach elektronicznych - przewodzenie jednokierunkowe. Gdy źródło prądu jest połączone z biegunem dodatnim do anody i biegunem ujemnym do katody, elektrony emitowane przez rozgrzaną katodę poruszają się pod działaniem pola elektrycznego w kierunku anody - w obwodzie płynie prąd elektryczny. Jeśli podłączysz źródło prądu z biegunem dodatnim do katody, a ujemnym - do anody, wówczas pole elektryczne uniemożliwi ruch elektronów z katody do anody - w obwodzie nie ma prądu elektrycznego. Właściwość jednostronnego przewodzenia diody jest wykorzystywana w urządzeniach elektronicznych do konwersji prąd przemienny na stałe.

Trioda. Przepływ elektronów poruszających się w lampie elektronowej od katody do anody można kontrolować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Najprostszym urządzeniem elektropróżniowym, w którym przepływ elektronów sterowany jest za pomocą pola elektrycznego, jest trioda. Balon, anoda i katoda triody próżniowej mają taką samą konstrukcję jak dioda, jednak na drodze elektronów od katody do anody w triodzie znajduje się trzecia elektroda, zwana siatką. Zwykle siatka jest spiralą kilku zwojów Drobny drut wokół katody.

Jeżeli do siatki zostanie przyłożony dodatni potencjał względem katody (rys. 14a), to znaczna część elektronów przelatuje z katody do anody iw obwodzie anodowym występuje prąd elektryczny. Po nałożeniu na siatkę ujemny potencjał w stosunku do katody pole elektryczne między siatką a katodą uniemożliwia ruch elektronów z katody do anody (rys. 14b), prąd anodowy maleje. W ten sposób, zmieniając napięcie między siatką a katodą, można kontrolować natężenie prądu w obwodzie anodowym.

Ryż. czternaście

Urządzenie triody próżniowej pokazano na rysunku 15, jego symbol na schematach - na rysunku 16.

Ryż. piętnaście

Wiązki elektronów i ich właściwości. Elektrony emitowane przez rozgrzaną katodę można przyspieszyć za pomocą pól elektrycznych do wysokie prędkości. Wiązki elektronów poruszające się z dużą prędkością mogą być wykorzystywane do wytwarzania promieni rentgenowskich, topienia i cięcia metali. W lampach elektronopromieniowych wykorzystuje się zdolność wiązek elektronów do odchylania się przez pola elektryczne i magnetyczne i powodowania świecenia kryształów.

Kineskop. Jeśli w anodzie 2 diody próżniowej zrobiony zostanie otwór, to część elektronów emitowanych przez katodę 1 przeleci przez otwór i utworzy strumień elektronów lecących równolegle w przestrzeni za anodą - wiązkę elektronów 5 (rys. 15).

Ryż. szesnaście

Urządzenie elektropróżniowe, które wykorzystuje taki strumień elektronów, nazywa się lampą katodową.

Wewnętrzna powierzchnia szklanego pojemnika lampy elektronopromieniowej na anodzie jest pokryta cienka warstwa kryształy zdolne do świecenia po uderzeniu przez szybkie elektrony. Ta część tuby nazywana jest ekranem (6).

Za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych można sterować ruchem elektronów na drodze od anody do ekranu i sprawić, by wiązka elektronów „narysowała” dowolny obraz na ekranie. Ta zdolność wiązki elektronów jest wykorzystywana do tworzenia obrazów na ekranie telewizyjnego kineskopu kineskopowego. Zmianę jasności poświaty punktowej na ekranie uzyskuje się kontrolując natężenie wiązki elektronów za pomocą dodatkowej elektrody umieszczonej między katodą a anodą i działającej na zasadzie siatki sterującej triody elektropróżniowej.

W tubie oscyloskopu katodowego pomiędzy anodą a ekranem znajdują się dwie pary równoległych metalowe talerze. Płyty te nazywane są płytami odchylającymi. Przyłożenie napięcia do pionowych płytek 4 powoduje przesunięcie wiązki elektronów w kierunku poziomym, przyłożenie napięcia do poziomych płytek 3 powoduje pionowe odchylanie się wiązki. Przemieszczenia wiązki na ekranie lampy są proporcjonalne do przyłożonego napięcia, dlatego oscyloskop elektroniczny może być używany jako elektryczny przyrząd pomiarowy.

Aby zbadać szybko zmieniające się procesy elektryczne w oscyloskopie, przeprowadza się przemiatanie - równomierny ruch wiązki elektronów w poziomie. Aby belka poruszała się wzdłuż osi poziomej z stała prędkość, napięcie na płytkach odchylających się w poziomie musi zmieniać się liniowo w czasie, aby wiązka powracała do pozycja startowa napięcie powinno bardzo szybko spaść do zera. Ta forma stresu nazywa się piłokształtnym (ryc. 17).

Najważniejsze urządzenia w elektronice pierwszej połowy XX wieku. istniały lampy próżniowe, które wykorzystywały prąd elektryczny w próżni. Zostały one jednak zastąpione urządzeniami półprzewodnikowymi. Ale nawet dzisiaj prąd próżniowy jest używany w lampach elektronopromieniowych, w topieniu próżniowym i spawaniu, w tym w kosmosie, oraz w wielu innych instalacjach. To decyduje o znaczeniu badania prądu elektrycznego w próżni.

Próżnia (od łac.próżnia- void) - stan gazu pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie atmosferyczne. Ta koncepcja jest stosowana do gazu w zamkniętym naczyniu lub w naczyniu, z którego gaz jest wypompowywany, a często do gazu w wolnej przestrzeni, takiej jak przestrzeń. Fizyczna charakterystyka próżni to stosunek wolnej drogi cząsteczek do wielkości naczynia, między elektrodami urządzenia itp.

Rys.1. Wypompowywanie powietrza z naczynia

Jeśli chodzi o próżnię, z jakiegoś powodu uważają, że to zupełnie pusta przestrzeń. W rzeczywistości tak nie jest. Jeśli powietrze jest wypompowywane z dowolnego naczynia (rys.1 ), wtedy liczba zawartych w nim cząsteczek będzie się zmniejszać z czasem, chociaż usunięcie wszystkich cząsteczek z naczynia jest niemożliwe. Kiedy więc możemy założyć, że w naczyniu powstała próżnia?

Cząsteczki powietrza, poruszając się losowo, często zderzają się ze sobą oraz ze ścianami naczynia. Pomiędzy takimi zderzeniami molekuły pokonują pewne odległości, które nazywane są średnią drogą swobodną molekuł. Oczywiste jest, że kiedy powietrze jest wypompowywane, stężenie cząsteczek (ich liczba na jednostkę objętości) spada, a średnia droga swobodna wzrasta. A potem nadchodzi moment, w którym średnia droga swobodna staje się równa wielkości naczynia: cząsteczka przemieszcza się od ściany do ściany naczynia, praktycznie nie spotykając się z innymi cząsteczkami. To wtedy uważają, że w naczyniu powstała próżnia, chociaż wciąż może być w nim wiele cząsteczek. Oczywiste jest, że w mniejszych naczyniach próżnia powstaje przy wyższym ciśnieniu gazu niż w dużych naczyniach.

Jeśli nadal będziesz wypompowywać powietrze ze statku, mówią, że powstaje w nim głębsza próżnia. W głębokiej próżni cząsteczka może wielokrotnie przelatywać od ściany do ściany, zanim napotka inną cząsteczkę.

Praktycznie niemożliwe jest wypompowanie wszystkich cząsteczek z naczynia.

Skąd w próżni biorą się darmowe nośniki?

Jeśli w naczyniu powstanie próżnia, to nadal jest w nim wiele cząsteczek, niektóre z nich mogą zostać zjonizowane. Ale w takim naczyniu jest niewiele naładowanych cząstek, które wykrywają zauważalny prąd.

Jak zdobyć wystarczającą ilość bezpłatnych nośników opłat w próżni? Jeśli ogrzejesz przewodnik, przepuszczając przez niego prąd elektryczny lub w inny sposób (rys.2 ), wtedy część wolnych elektronów w metalu będzie miała wystarczającą energię, aby opuścić metal (wykonać funkcję pracy). Zjawisko emisji elektronów przez gorące ciała nazywamy emisją termionową.

Ryż. 2. Promieniowanie elektronów przez gorący przewodnik

Elektronika i radio są prawie w tym samym wieku. Co prawda na początku radio obywało się bez swoich rówieśników, ale później urządzenia elektroniczne stały się materialną podstawą radia lub, jak mówią, jego podstawą elementarną.

Początki elektroniki sięgają 1883 roku, kiedy to słynny Thomas Alpha Edison, próbując przedłużyć żywotność lampy z żarnikiem węglowym, wprowadził metalową elektrodę do żarówki lampy ewakuowanej.

To właśnie to doświadczenie doprowadziło Edisona do jedynego fundamentalnego odkrycia naukowego, które stanowiło podstawę wszystkich lamp próżniowych i całej elektroniki przed epoką tranzystorów. Odkryte przez niego zjawisko nazwano później emisją termionową.

Na zewnątrz eksperyment Edisona wyglądał dość prosto. Podłączył baterię i galwanometr do zacisku elektrody i jednego z zacisków gorącego prądu elektrycznego.

Igła galwanometru odchylała się, gdy plus akumulatora był podłączony do elektrody, a minus do żarnika. Jeśli polaryzacja się zmieniła, prąd w obwodzie zatrzymał się.

Edison nagłośnił ten efekt i otrzymał patent na odkrycie. To prawda, że, jak mówią, nie doprowadził swojej pracy do perfekcji i nie wyjaśnił fizycznego obrazu zjawiska. W tym czasie elektron nie został jeszcze odkryty, a pojęcie „emisji termoelektrycznej” mogło oczywiście pojawić się dopiero po odkryciu elektronu.

To jest esencja tego. W rozgrzanej metalowej nici prędkość i energia elektronów wzrastają tak bardzo, że odrywają się od powierzchni nici i w swobodnym strumieniu wdzierają się w otaczającą przestrzeń. Uciekające z nici elektrony można przyrównać do rakiet, które pokonały siłę grawitacji. Jeśli do elektrody podłączony jest plus baterii, to pole elektryczne wewnątrz balonu między żarnikiem a elektrodą popędzi elektrony w jego kierunku. Oznacza to, że wewnątrz lampy popłynie prąd elektryczny.

Przepływ elektronów w próżni jest rodzajem prądu elektrycznego. Taki prąd elektryczny w próżni można uzyskać, jeśli rozgrzaną katodę będącą źródłem „parujących” elektronów oraz anodę umieścimy w naczyniu, z którego ostrożnie wypompowuje się powietrze. Pomiędzy katodą a anodą powstaje pole elektryczne, które nakazuje elektronom poruszanie się w określonym kierunku.

W lampach telewizyjnych, lampach radiowych, urządzeniach do topienia wiązki elektronów i wielu innych maszynach elektrony poruszają się w próżni. Jak uzyskuje się przepływy elektronów w próżni? Jak zarządza się tymi przepływami?

Rys.3

Wiemy, że metale zawierają elektrony przewodzące. Średnia prędkość ruch tych elektronów zależy od temperatury metalu: im większa, tym wyższa temperatura. Umieśćmy dwie metalowe elektrody w próżni w pewnej odległości od siebie (rys.3 ) i tworzą między nimi pewną potencjalną różnicę. W obwodzie nie będzie prądu, co wskazuje na brak wolnych nośników ładunku elektrycznego w przestrzeni między elektrodami. W konsekwencji w metalach znajdują się wolne elektrony, ale są one zatrzymywane wewnątrz metalu i praktycznie w zwykłych temperaturach

nie może się z tego wydostać. Aby elektrony mogły opuścić metal (podobnie jak ulatnianie się cząsteczek poza ciecz podczas jej parowania), muszą pokonać siły przyciągania elektrycznego z nadmiaru ładunku dodatniego, który powstał w metalu w wyniku lotu elektronów, a także siły odpychania od strony elektronów, które wcześniej wyleciały i utworzyły „chmurę” elektronową w pobliżu powierzchni metalu. Innymi słowy, aby wylecieć z metalu do próżni, elektron musi wykonać pewną pracę.ALEprzeciw tym siłom, oczywiście, różne dla różne metale. Ta praca nazywa sięfunkcja pracy elektrony z metalu. Funkcja pracy jest wykonywana przez elektrony ze względu na ich energia kinetyczna. Jest więc jasne, że wolne elektrony nie mogą uciec z metalu, a jedynie te, których energia kinetycznami do przekracza funkcję pracy, czylimi do ≥ A. Nazywa się uwalnianie wolnych elektronów z metaluemisja elektronów .

Aby zaistniała emisja elektronów, konieczne jest poinformowanie elektronów przewodnictwa metali o energii kinetycznej wystarczającej do wykonania funkcji pracy. W zależności od metody nadawania elektronom niezbędnej energii kinetycznej, istnieją różne rodzaje emisji elektronów. Jeśli energia jest przekazywana elektronom przewodzącym w wyniku bombardowania metalu z zewnątrz przez inne cząstki (elektrony, jony), towtórna emisja elektronów . Emisja elektronów może nastąpić pod wpływem napromieniowania metalu światłem. W tym przypadku istniejefotoemisja , lubefekt fotoelektryczny . Możliwe jest również wyciąganie elektronów z metalu pod wpływem silnego pola elektrycznego -emisja polowa . Wreszcie elektrony mogą pozyskiwać energię kinetyczną poprzez ogrzewanie ciała. W tym przypadku mówi się oemisja termionowa .

Rozważmy bardziej szczegółowo zjawisko emisji termojonowej i jego zastosowanie.

W zwykłych temperaturach niewielka liczba elektronów może mieć energię kinetyczną porównywalną z funkcją pracy elektronów z metalu. Wraz ze wzrostem temperatury liczba takich elektronów wzrasta, a gdy metal zostanie podgrzany do temperatur rzędu 1000-1500 stopni, znaczna liczba elektronów będzie miała już energię przekraczającą funkcję pracy metalu. To właśnie te elektrony mogą wylecieć z metalu, ale nie oddalają się od jego powierzchni, ponieważ metal jest naładowany dodatnio i przyciąga elektrony. Dlatego w pobliżu rozgrzanego metalu powstaje „chmura” elektronów. Część elektronów z tej „chmury” wraca z powrotem do metalu, a jednocześnie nowe elektrony wylatują z metalu. W tym przypadku między „gazem” elektronowym a „chmurą” elektronową ustala się równowaga dynamiczna, gdy liczba elektronów wyemitowanych z metalu w określonym czasie jest porównywana z liczbą elektronów powracających z „chmury” do metal w tym samym czasie.