Сегодня в фокусе внимания термоэлектронная эмиссия. Рассматриваются варианты названия эффекта, его проявление в среде и в вакууме. Исследуются температурные пределы. Определяются зависимые составляющие плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии.
Названия эффекта термоэлектронной эмиссии
Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.
Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.
Определение термоэлектронной эмиссии
Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что из металлов при высокой температуре выходят электроны. Таким образом, нагретое железо, олово или ртуть являются источником этих элементарных частиц. Механизм строится на том, что в металлах существует особая связь: кристаллическая решетка положительно заряженных ядер является как бы общей базой для всех электронов, которые образуют облако внутри структуры.
Таким образом, среди отрицательно заряженных частиц, которые находятся вблизи поверхности, всегда найдутся такие, у которых достаточно энергии, чтобы покинуть объем, то есть преодолеть потенциальный барьер.
Температура эффекта термоэлектронной эмиссии
Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.
Температурные пределы термоэлектронной эмиссии
Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.
В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.
С другой стороны температурной шкалы стоит плавление металла. Согласно физико-химическим данным, у всех материалов этого класса данная характеристика различается. Иными словами, металлов с одинаковой температурой плавления не существует. Ртуть или жидкость при нормальных условиях переходит из кристаллической формы уже при минус тридцати девяти градусах Цельсия, тогда как вольфрам - при трех с половиной тысячах.
Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.
Термоэлектронная эмиссия в условиях вакуума
Все рассмотренное выше относится к явлению в среде (например, на воздухе или в инертном газе). Теперь обратимся к вопросу, что такое термоэлектронная эмиссия в вакууме. Для этого опишем простейший прибор. В колбу, из которой откачали воздух, помещают тонкий стержень из металла, к которому подводят отрицательный полюс источника тока. Заметим, что материал должен плавиться при достаточно высоких температурах, чтобы во время эксперимента не потерять кристаллическую структуру. Полученный таким образом катод окружают цилиндром из другого металла и подсоединяют к нему положительный полюс. Естественно, анод тоже находится в заполненном вакуумом сосуде. При замыкании цепи получаем ток термоэлектронной эмиссии.
Примечательно то, что в этих условиях зависимость тока от напряжения при не меняющейся температуре катода подчиняется не закону Ома, а закону трех вторых. Еще он назван именем Чайлда (в других версиях Чайлда-Ленгмюра и даже Чайлда-Ленгмюра-Богуславского), а в немецкоязычной научной литературе – уравнением Шоттки. При увеличении напряжения в такой системе в определенный момент все электроны, вырываемые из катода, достигают анода. Это называется током насыщения. На вольт-амперной характеристике это выражается в том, что кривая выходит на плато, и дальнейшее увеличение напряжения не эффективно.
Формула термоэлектронной эмиссии
Таковы особенности, которыми обладает термоэлектронная эмиссия. Формула достаточно сложная, поэтому приводить её здесь не будем. К тому же её легко найти в любом справочнике. Вообще, формулы термоэлектронной эмиссии как таковой не существует, рассматривают только плотность тока насыщения. Эта величина зависит от материала (который определяет работу выхода) и термодинамической температуры. Все остальные составляющие формулы – константы.
На основании термоэлектронной эмиссии работает множество приборов. Например, старые большие телевизоры и мониторы в основе имеют именно этот эффект.