Контрольные вопросы.. 18

9. Лабораторная работа №2. Изучение термоэлектронной эмиссии при малых плотностях эмиссионного тока. 18

Порядок выполнения работы.. 19

Требования к отчету. 19

Контрольные вопросы.. 19

Введение

Эмиссионная электроника изучает явления, связанные с испусканием (эмиссией) электронов конденсированной средой. Электронная эмиссия возникает в случаях, когда часть электронов тела приобретает в результате внешнего воздействия энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на его границе, или если внешнее электрическое поле делает его "прозрачным" для части электронов. В зависимости от природы внешнего воздействия различают:

термоэлектронную эмиссию (нагревание тел);
вторичную электронную эмиссию (бомбардировка поверхности электронами);
ионно-электронную эмиссию (бомбардировка поверхности ионами);
фотоэлектронную эмиссию (электромагнитное облучение);
экзоэлектронную эмиссию (механическая, термическая и другие виды обработки поверхности);
автоэлектронную эмиссию (внешнее электрическое поле) и др.

Во всех явлениях, где необходимо учитывать либо выход электрона из кристалла в окружающее пространство, либо переход из одного кристалла в другой, определяющее значение приобретает характеристика, носящая название "Работа выхода". Работа выхода определяется как минимальная энергия, требуемая, чтобы извлечь электрон из твердого тела и поместить его в точку, где его потенциальная энергия условно принимается равной нулю. Кроме описания различных эмиссионных явлений, понятие работы выхода играет важную роль при объяснении возникновения контактной разности потенциалов при контакте двух металлов, металла с полупроводником, двух полупроводников, а также гальванических явлений.

Методические указания состоят из двух частей. Первая часть содержит основные теоретические сведения по эмиссионным явлениям в твердых телах. Основное внимание уделено явлению термоэлектронной эмиссии. Во второй части приведено описание лабораторных работ, посвященных экспериментальному изучению термоэлектронной эмиссии, исследованию контактной разности потенциалов и распределении работы выхода по поверхности образца.

Часть 1. Основные теоретические сведения

1. Работа выхода электрона. Влияние на работу выхода состояния поверхности

То обстоятельство, что электроны удерживаются внутри твердого тела, указывает на то, что в поверхностном слое тела возникает задерживающее поле, препятствующее электронам выходить из него в окружающий вакуум. Схематическое изображение потенциального барьера на границе твердого тела дано на рис. 1. Чтобы покинуть кристалл, электрон должен совершить работу, равную работе выхода. Различают термодинамическую и внешнюю работы выхода.

Термодинамической работой выхода называют разницу между энергией нулевого уровня вакуума и энергией Ферми твердого тела.

Внешняя работа выхода (или электронное сродство) – это разность между энергией нулевого уровня вакуума и энергией дна зоны проводимости (рис. 1).

Рис. 1. Форма кристаллического потенциала U вдоль линии расположения ионов в кристалле и в приповерхностной области кристалла: положения ионов отмечены точками на горизонтальной линии; φ=- U /е – потенциал работы выхода; Е F – энергия Ферми (отрицательная); Е C – энергия дна зоны проводимости; W O – термодинамическая работа выхода; W a – внешняя работа выхода; заштрихованная область условно изображает заполненные электронные состояния

Можно указать две основные причины возникновения потенциального барьера на границе твердого тела и вакуума. Одна из них связана с тем, что электрон, вылетевший из кристалла, индуцирует на его поверхности положительный электрический заряд. Возникает сила притяжения между электроном и поверхностью кристалла (сила электрического изображения, см. разд. 5, рис. 12), стремящаяся вернуть электрон обратно в кристалл. Другая причина связана с тем, что электроны за счет теплового движения могут пересекать поверхность металла и удаляться от него на небольшие расстояния (порядка атомных ). Они образуют над поверхностью отрицательно заряженный слой. На поверхности кристалла в этом случае после выхода электронов формируется положительно заряженный слой ионов. В результате образуется двойной электрический слой. Он не создает поля во внешнем пространстве, зато на преодоление электрического поля внутри самого двойного слоя также требуется произвести работу.

Значение работы выхода для большинства металлов и полупроводников составляет несколько электрон-вольт. Например, для лития работа выхода равна 2,38 эВ, железа – 4,31 эВ, германия – 4,76 эВ, кремния – 4,8 эВ. В значительной степени величина работы выхода определяется кристаллографической ориентацией грани монокристалла, с которой происходит эмиссия электронов. Для (110)-плоскости вольфрама работа выхода составляет 5,3 эВ, для (111) и (100)-плоскостей эти значения равны соответственно 4,4 эВ и 4,6 эВ.

Большое влияние на работу выхода оказывают тонкие слои, нанесенные на поверхность кристалла. Атомы или молекулы, осевшие на поверхность кристалла, часто отдают электрон в него или принимают электрон от него и становятся ионами. На рис. 2 показана энергетическая диаграмма металла и изолированного атома для случая, когда термодинамическая работа выхода электрона из металла W 0 больше, чем энергия ио низации Е ион осаждающегося на его поверхность атома, В этой ситуации электрону атома энергетически выгодно протуннелировать в металл и опуститься в нем к уровню Ферми. Поверхность металла, покрытая такими атомами, заряжается отрицательно и образует с положительными ионами двойной электрический слой, поле которого будет уменьшать работу выхода из металла. На рис. З, а показан кристалл вольфрама, покрытый монослоем цезия. Здесь реализуется ситуация, рассмотренная выше, так как энергия Е ион цезия (3,9 эВ) меньше работы выхода вольфрама (4,5 эВ). В экспериментах работа выхода уменьшается более чем в три раза. Противоположная ситуация наблюдается, если вольфрам покрыт атомами кислорода (рис. 3 б). Поскольку связь валентных электронов в кислороде сильнее, чем в вольфраме, то при адсорбции кислорода на поверхности вольфрама образуется двойной электрический слой, увеличивающий работу выхода из металла. Наиболее часто реализуется случай, когда осевший на поверхность атом не отдает полностью свой электрон металлу или принимает в себя лишний электрон, а деформирует свою электронную оболочку так, что адсорбированные на поверхности атомы поляризуются и становятся электрическими диполями (рис. 3 в). В зависимости от ориентации диполей работа выхода металла уменьшается (ор иентация диполей соответствует рис. 3 в) или увеличивается.

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 от Е до Е +d Е , определяется статистикой Ферми-Дирака:

,(1)

где g (Е) – число квантовых состояний, соответствующих энергии Е ; Е F – 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 температуре Т 1 и при высокой температуре Т 2 . 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 при Т=Т 2 "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 k Т даже 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 потенциалов V между анодом и катодом. Однако это возрастание идет не пропорционально V (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.

3. Зависимость термоэлектронного тока от температуры. Формула Ричардсона-Дешмана

При вычислении плотности термоэлектронного тока будем пользоваться моделью электронного газа и применим к нему статистику Ферми-Дирака. Очевидно, что плотность термоэлектронного тока определяется плотностью облака электронов вблизи поверхности кристалла, которая описывается формулой (1). Перейдем в этой формуле от распределения электронов по энергиям к распределению электронов по импульсам. При этом учтем, что разрешенные значения волнового вектора электрона k в k -пространстве распределены равномерно так, что на каждое значение k приходится объем 8p 3 (для объема кристалла, равного единице). Учитывая, что импульс электрона p =ћ k получим, что число квантовых состояний в элементе объема пространства импульсов dp x dp y dp z будет равно

(2)

Двойка в числителе формулы (2) учитывает два возможных значения спина электрона.

Направим ось z прямоугольной системы координат нормально к поверхности катода (рис. 7). Выделим на поверхности кристалла площадку единичной площади и построим на ней, как на основании, прямоугольный параллелепипед с боковым ребром v z = p z / m n (m n – эффективная масса электрона). Электроны дают клад в плотность тока насыщения компонентой v z скорости по оси z . Вклад в плотность тока от одного электрона равен

(3)

где е – заряд электрона.

Число электронов в параллелепипеде, скорости которых заключены в рассматриваемом интервале:

Чтобы при эмиссии электронов кристаллическая решетка не разрушалась, из кристалла должна выходить ничтожная часть электронов. Для этого, как показывает формула (4), должно выполняться условие Е-Е F >> k Т . Для таких электронов в знаменателе формулы (4) единицей можно пренебречь. Тогда эта формула преобразуется к виду

(5)

Найдем теперь число электронов dN в рассматриваемом объеме, z -составляющая импульса которых заключена между р z и р z + dp z . Для этого предыдущее выражение надо проинтегрировать по р x и р y в пределах от –∞ до +∞. При интегрировании следует учесть, что

и воспользоваться табличным интегралом

В результате получим

.(6)

Теперь, учитывая (3), найдем плотность термоэлектронного тока, создаваемого всеми электронами параллелепипеда. Для этого выражение (6) надо проинтегрировать для всех электронов, кинетическая энергия которых на уровне Ферми E ≥ E F + W 0 .Только такие электроны могут выходить из кристалла и только они играют роль в вычислении термотока . Составляющая импульса таких электронов вдоль оси Z должна удовлетворять условию

Следовательно, плотность тока насыщения

Интегрирование производится для всех значений . Введем новую переменную интегрирования

Тогда p z dp z = m n du и

.(8)

В результате получим

,(9)

,(10)

где постоянная

Равенство (10) называется формулой Ричардсона-Дешмана . Измеряя плотность термоэлектронного тока насыщения, можно по этой формуле вычислить постоянную А и работу выхода W 0 . Для экспериментальных расчетов формулу Ричардсона-Дешмана удобно представить в виде

В этом случае на графике зависимость ln (j s / T 2) от 1/Т выражается прямой линией. По пересечению прямой с осью ординат вычисляют ln А , а по углу наклона прямой определяют работу выхода (рис. 8).

4. Контактная разность потенциалов

Рассмотрим процессы, происходящие при сближении и контакте двух электронных проводников, например двух металлов, с разными работами выхода. Энергетические схемы этих металлов показаны на рис. 9. Пусть Е F 1 и Е F 2 – энергия Ферми для первого и второго металла соответственно, а W 01 и W 02 – их работы выхода. В изолированном состоянии у металлов одинаков уровень вакуума и, следовательно, разные уровни Ферми. Предположим для определенности, что W 01 < W 02 , тогда уровень Ферми первого металла будет выше, чем второго (рис. 9 а). При контакте этих металлов против занятых электронных состояний в металле 1 находятся свободные энергетические уровни металла 2. Поэтому при контакте этих проводников возникает результирующий поток электронов из проводника 1 в проводник 2. Это приводит к тому, что первый проводник, теряя электроны, заряжается положительно, а второй проводник, приобретая дополнительный отрицательный заряд, заряжается отрицательно. Вследствие зарядки все энергетические уровни металла 1 смещаются вниз, а металла 2 – вверх. Процесс смещения уровней и процесс перехода электронов из проводника 1 в проводник 2 будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми обоих проводников не выровняются (рис. 9 б). Как видно из этого рисунка, равновесному состоянию соответствует разность потенциалов между нулевыми уровнями проводников 0 1 и 0 2:

.(11)

Разность потенциалов V К.Р.П называется контактной разностью потенциалов . Следовательно, контактная разность потенциалов определяется разностью работ выхода электронов из контактирующих проводников. Полученный результат справедлив для любых способов обмена двух материалов электронами, в том числе и путем термоэлектронной эмиссии в вакууме, через внешнюю цепь и т.д. Аналогичные результаты получаются при контакте металла с полупроводником. Между металлами и полупроводником возникает контактная разность потенциалов, имеющая примерно тот же порядок величины, что и в случае контакта двух металлов (приблизительно 1 В). Различие состоит лишь в том, что если в проводниках вся контактная разность потенциалов приходится практически на зазор между металлами, то при контакте металла с полупроводником вся контактная разность потенциалов приходится на полупроводник, в котором образуется достаточно большой слой, обогащенный или обедненный электронами. Если этот слой обеднен электронами (в случае, когда работа выхода полупроводника n -типа меньше работы выхода металла), то такой слой называют блокирующим и такой переход будет обладать выпрямляющими свойствами. Потенциальный барьер, возникающий в выпрямляющем контакте металла с полупроводником, называют барьером Шоттки , а диоды, работающие на его основе, – диодами Шоттки .

Вольт-амперная характеристика термокатода при малых плотностях тока эмиссии. Эффект Шоттки

Если между термокатодом и анодом диода (рис. 5) создать разность потенциалов V , препятствующую движению электронов к аноду, то на анод смогут попасть лишь те из них, которые вылетели из катода с запасом кинетической энергии не меньше энергии электростатического поля между анодом и катодом, т.е. –е V (V < 0). Для этого их энергия в термокатоде должна быть не меньше W 0 –е V . Тогда, заменив в формуле Ричардсона-Дешмана (10) W 0 на W 0 –е V , получим следующее выражение для плотности тока термоэмиссии :

,(12)

здесь j S – плотность тока насыщения. Логарифмируем это выражение

.(13)

При положительном потенциале на аноде все электроны, покидающие термокатод , попадают на анод. Поэтому ток в цепи меняться не должен, оставаясь равным току насыщения. Таким образом, вольт-амперная характеристика (ВАХ) термокатода будет иметь вид, представленный на рис. 10 (кривая а).

Подобная ВАХ наблюдается лишь при относительно малых плотностях тока эмиссии и высоких положительных потенциалах на аноде, когда вблизи эмиттирующей поверхности не возникает значительного объемного заряда электронов. Вольт-амперная характеристика термокатода с учетом пространственного заряда рассмотренная в разд. 6 .

Отметим еще одну важную особенность ВАХ при малых плотностях тока эмиссии. Вывод о том, что термоток достигает насыщения при V =0, справедлив только для случая, когда материалы катода и анода обладают одинаковой термодинамической работой выхода. Если работы выхода катода и анода не равны между собой, то между анодом и катодом появляется контактная разность потенциалов. В этом случае даже при отсутствии внешнего электрического поля (V =0) между анодом и катодом существует электрическое поле, обусловленное контактной разностью потенциалов. Например, если W 0к < W 0а то анод будет заряжен отрицательно относительно катода. Для уничтожения контактной разности потенциалов на анод следует подать положительное смещение. Поэтому вольт-амперная характеристика термокатода сдвигается на величину контактной разности потенциалов в сторону положительного потенциала (рис. 10, кривая б). При обратном соотношении между W 0к и W 0а направление сдвига ВАХ противоположно (кривая в на рис. 10).

Вывод о независимости плотности тока насыщения при V >0 сильно идеализирован. В реальных ВАХ термоэлектронной эмиссии наблюдается небольшое увеличение тока термоэлектронной эмиссии с ростом V в режиме насыщения, что связано с эффектом Шоттки (рис. 11).

Эффект Шоттки – это уменьшение работы выхода электронов из твердых тел под действием внешнего ускорявшего электрического поля.

Для объяснения эффекта Шоттки рассмотрим силы, действующие на электрон вблизи поверхности кристалла. В соответствии с законом электростатической индукции на поверхности кристалла индуцируются поверхностные заряды противоположного знака, определяющие взаимодействие электрона с поверхностно кристалла. В соответствии с методом электрических изображений действие реальных поверхностных зарядов на электрон заменяется действием фиктивного точечного положительного заряда +е , расположенного на таком же расстоянии от поверхности кристалла, что и электрон, но с противоположной стороны поверхности (рис. 12). Тогда, в соответствии с законом Кулона, сила взаимодействия двух точечных зарядов

,(14)

здесь ε o – электрическая постоянная: х – расстояние между электроном и поверхностью кристалла.

Потенциальная энергия электрона в поле силы электрического изображения, если отсчет вести от нулевого уровня вакуума, равна

.(15)

Потенциальная энергия электрона во внешнем ускоряющем электрическом поле Е

Полная потенциальная энергия электрона

.(17)

Графическое нахождение полной энергии электрона, находящегося вблизи поверхности кристалла, приведено на рис. 13, на котором наглядно видно уменьшение работы выхода электрона из кристалла. Суммарная кривая потенциальной энергии электрона (сплошная кривая на рис. 13) достигает максимума в точке x m :

.(18)

Эта точка отстоит от поверхности на расстоянии 10Å при напряженности внешнего поля » 3× 10 6 В /см.

В точке х m суммарная потенциальная энергия, равная понижению потенциального барьера (и, следовательно, уменьшению работы выхода),

.(19)

В результате эффекта Шоттки ток термодиода при положительном напряжении на аноде растет с ростом анодного напряжения. Этот эффект проявляется не только при эмиссии электронов в вакуум, но и при движении их через контакты металл-полупроводник или металл- диэлектрик.

6. Токи в вакууме ограниченные пространственным зарядом. Закон «трех вторых»

При больших плотностях тока термоэлектронной эмиссии на вольт-амперную характеристику существенное влияние оказывает объемный отрицательный заряд, возникающий между катодом и анодом. Этот объемный отрицательный заряд препятствует достижению вылетевшим из катода электронам анода. Таким образом, ток анода оказывается меньше, чем ток эмиссии электронов с катода. При приложении к аноду положительного потенциала дополнительный потенциальный барьер у катода, создаваемый объемным зарядом, понижается и анодный ток растет. Такова качественная картина влияния пространственного заряда на вольт-амперную характеристику термодиода . Теоретически этот вопрос был исследован Ленгмюром в 1913 г.

Вычислим при ряде упрощающих предположений зависимость тока термодиода от приложенной между анодом и катодом внешней разности потенциалов и найдем распределение поля, потенциала и концентрации электронов между анодом и катодом при учете пространственного заряда.

Рис. 14. К выводу закона "трех вторых"

Допустим, что электроды диода плоские. При небольшом расстоянии между анодом и катодом d их можно считать бесконечно большими. Начало координат поместим на поверхности катода, а ось X направим перпендикулярно этой поверхности в сторону анода (рис. 14). Температуру катода будем поддерживать постоянной и равной Т . Потенциал электростатического поля j , существующего в пространстве между анодом и катодом, будет функцией только одной координаты х . Он должен удовлетворять уравнению Пуассона

,(20)

здесь r – объемная плотность заряда; n – концентрация электронов; j , r и n являются функциями координаты х .

Учитывая, что плотность тока между катодом и анодом

а скорость электрона v можно определить из уравнения

где m – масса электрона, уравнение (20) можно преобразовать к виду

, .(21)

Это уравнение надо дополнить граничными условиями

Эти граничные условия следуют из того, что потенциал и напряженность электрического поля у поверхности катода должны обращаться в нуль. Умножая обе части уравнения (21) на d j /dx , получим

.(23)

Учитывая, что

(24а)

и ,(24b )

запишем (23) в виде

.(25)

Теперь можно проинтегрировать обе части уравнения (25) по х в пределах от 0 до того значения x , при котором потенциал равен j . Тогда, учитывая граничные условия (22) получим

Интегрируя обе части (27) в пределах от х =0, j =0 до х =1, j = V a , получим

.(28)

Возведя обе части равенства (28) в квадрат и выражая плотность тока j из а согласно (21), получим

.(30)

Формула (29) называется "законом трех вторых" Ленгмюра .

Этот закон справедлив для электродов произвольной формы. От формы электродов зависит выражение для численного коэффициента. Полученные выше формулы позволяют вычислить распределения потенциала, напряженности электрического поля и плотности электронов в пространстве между катодом и анодом. Интегрирование выражения (26) в пределах от х =0 до того значения, когда потенциал равен j , приводит к соотношению

т.е. потенциал меняется пропорционально расстоянию от катода х в степени 4/3. Производная d j / dx характеризует напряженность электрического поля между электродами. Согласно (26), величина напряженности электрического поля Е ~х 1 /9 . Наконец, концентрация электронов

(32)

и, согласно (31) n (x )~ (1/x ) 2/9 .

Зависимости j (х ), Е (х ) и n (х ) приведены на рис. 15. Если х →0, то концентрация устремляется к бесконечности. Это является следствием пренебрежения тепловыми скоростями электронов у катода. В реальной ситуации при термоэлектронной эмиссии электроны покидают катод не с нулевой скоростью, а с некоторой конечной скоростью эмиссии. В этом случае анодный ток будет существовать даже в том случае, если вблизи катода имеется небольшое обратное электрическое поле. Следовательно, объемная плотность заряда может измениться до таких значений, при которых потенциал вблизи катода уменьшится до отрицательных значений (рис 16). При увеличении анодного напряжения минимум потенциала уменьшается и приближается к катоду (кривые 1 и 2 на рис. 16). При достаточно большом напряжении на аноде минимум потенциала сливается с катодом, напряженность поля у катода становится равной нулю и зависимость j (х ) приближается к (29), рассчитанной без учета начальных скоростей электронов (кривая 3 на рис. 16). При больших анодных напряжениях пространственный заряд почти полностью рассасывается и потенциал между катодом и анодом меняется по линейному закону (кривая 4, рис. 16).

Таким образом, распределение потенциала в межэлектродном пространстве при учете начальных скоростей электронов значительно отличается от того, который положен в основу идеализированной модели при выводе закона "трех вторых". Это приводит к изменению и зависимости плотности анодного тока. Расчет, учитывающий начальные скорости электронов, для случая распределения потенциала, показанного на рис. 17, и для цилиндрически электродов дает следующую зависимость для полного тока термоэлектронной эмиссии I (I =jS , где S – площадь поперечного сечения термотока ):

.(33)

Параметры x m и V m определяются видом зависимости j (х ), смысл их понятен из рис. 17. Параметр х m равен расстоянию от катода, на котором потенциал достигает своего минимального значения = V m . Множитель C (x m ), кроме x m , зависит от радиусов катода и анода. Уравнение (33) справедливо при небольших изменениях анодного напряжения, т.к. и х m и V m , как это обсуждалось выше, зависят от анодного напряжения.

Таким образом, закон "трех вторых" не имеет универсального характера, он справедлив лишь в сравнительно узком интервале напряжений и токов. Однако он является наглядным примером нелинейного соотношения между силой тока и напряжением электронного прибора. Нелинейность вольт-амперной характеристики является наиболее важной особенностью многих элементов радио- и электротехнических схем, включая элементы твердотельной электроники.

Часть 2. Лабораторные работы

7. Экспериментальная установка для изучения термоэлектронной эмиссии

Лабораторные работы №1 и 2 выполняется на одной лабораторной установке, реализованной на базе универсального лабораторного стенда. Схема установки представлена на рис. 18. В измерительной секции располагается вакуумный диод ЭЛ с катодом прямого или косвенного накала. На переднюю панель измерительной секции выведены контакты нити накала "Накал", анода "Анод" и катода "Катод". Источником накала служит стабилизированный источник постоянного тока типа В5-44А. Значок I на схеме обозначает, что источник работает в режиме стабилизации тока. С порядком работы с источником постоянного тока можно ознакомиться по техническому описанию и инструкции по эксплуатации для этого прибора. Аналогичные описания имеются для всех электроизмерительных приборов, используемых в лабораторных работах. В анодную цепь включены стабилизированный источник постоянного тока Б5-45А и универсальный цифровой вольтметр В7-21А, используемый в режиме измерения постоянного тока для измерения анодного тока термодиода . Для измерения анодного напряжения и тока накала катода можно использовать встроенные в источник питания, приборы или подключить для более точного измерения напряжения на катоде дополнительный вольтметр РВ7-32.

В измерительной секции могут находиться вакуумные диоды с разными рабочими тогами накала катода. При номинальном токе накала диод работает в режиме ограничения анодного тока пространственным зарядом. Этот режим необходим для выполнения лабораторной работы №1. Лабораторная работа №2 выполняется при пониженных токах накала, когда влияние пространственного заряда несущественно. При установке тока накала следует быть особенно внимательным, т.к. превышение тока накала над его номинальным значением для данной электронной лампы приводит к перегоранию нити накала катода и выводу диода из строя. Поэтому при подготовке к работе обязательно уточните у преподавателя или инженера величину рабочего тока накала используемого в работе диода, данные обязательно запишите в рабочую тетрадь и используйте при составлении отчета по лабораторной работе.

8. Лабораторная работа №1. Изучение влияния пространственного заряда на вольт-амперную характеристику термотока

Цель работы: экспериментальное изучение зависимости тока термоэлектронной эмиссии от анодного напряжения, определение показателя степени в законе "трех вторых".

Вольт-амперная характеристика тока термоэлектронной эмиссии описывается законом "трех вторых" (см. разд. 6). Такой режим работы диода возникает при достаточно больших токах накала катода. Обычно при номинальном токе накала ток вакуумного диода ограничен пространственным зарядом.

Экспериментальная установка для выполнения данной лабораторной работы описана в разд. 7. В работе необходимо снять вольт-амперную характеристику диода при номинальном токе накала. Значение рабочего тока шкала используемой электронной лампы следует взять у преподавателя или инженера и записать в рабочую тетрадь.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с описанием и порядком работы с приборами, необходимыми для работы экспериментальной установки. Собрать схему согласно рис 18. Установку можно включать в сеть только после проверки правильности собранной схемы инженером или преподавателем.

2. Включить источник питания тока накала катода и установить требуемый ток накала. Поскольку при изменении тока накала изменяется температура и сопротивление нити накала, что, в свою очередь, ведет к изменению тока накала, регулировку необходимо вести методом последовательных приближений. После окончания регулировки необходимо выждать приблизительно 5 мин, чтобы ток накала и температура катода стабилизировались.

3. Включить в цепь анода источник постоянного напряжения и, изменяя напряжение на аноде, снять по точкам вольт-амперную характеристику. Вольт-амперную характеристику снимать в диапазоне 0...25 В , через каждые 0,5…1 В.

I a (V a ), где I a – анодный ток, V a – анодное напряжение.

5. Если диапазон изменения анодного напряжения взять небольшим, то величины x m , C (x,n ) и V m , входящие в формулу (33), можно принять постоянными. При больших V a величиной V m можно пренебречь. В результате формула (33) преобразуется к виду (после перехода от плотности термотока j к его полному значению I )

6. Из формулы (34) определить значение С для трех максимальных значений анодного напряжения на вольт-амперной характеристике. Вычислить среднее арифметическое полученных значений. Подставив это значение в формулу (33), определить значение V m для трех минимальных значений напряжения на аноде и вычислить среднее арифметическое значение V m .

7. Пользуясь полученным значением V m , построить график зависимости ln I a от ln(V a +|V m |). Определить по тангенсу угла этого графика показатель степени зависимости I a (V a +V m ). Он должен быть близок к 1,5.

8. Оформить отчет по работе.

Требования к отчету

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что называется явлением термоэлектронной эмиссии? Дайте определение работы выхода электрона. В чем различие термодинамической и внешней работы выхода?

2. Объясните причины возникновения потенциального барьера на границе твердое тело – вакуум.

3. Объясните, исходя из энергетической схемы металла и кривой распределения электронов по энергиям, термоэмиссию электронов из металла.

4. При каких условиях наблюдается термоэлектронный ток? Как можно наблюдать термоэлектронный ток? Как зависит ток термодиода от приложенного электрического поля?

5. Сформулируйте закон Ричардсона-Дешмана

6. Объясните качественную картину влияния объемного отрицательного заряда на вольт-амперную характеристику термодиода . Сформулируйте закон "трех вторых" Ленгмюра .

7. Каковы распределения потенциала, напряженности электрического поля и плотности электронов в пространстве между катодом и анодом при токах, ограниченных пространственным зарядом?

8. Какова зависимость тока термоэмиссии от напряжения между анодом и катодом с учетом пространственного заряда и начальных скоростей электронов? Поясните смысл параметров, определяющих эту зависимость;

9. Объясните схему экспериментальной установки для изучения термоэлектронной эмиссии. Поясните назначение отдельных элементов схемы.

10. Объясните метод экспериментального определения показателя степени в законе "трех вторых".

9. Лабораторная работа №2. Изучение термоэлектронной эмиссии при малых плотностях эмиссионного тока

Цель работы: исследование вольт-амперной характеристики термодиода при малом токе накала катода. Определение из экспериментальных результатов контактной разности потенциалов между катодом и анодом, температуры катода.

При малых плотностях термотока вольт-амперная характеристика имеет характерный вид с точкой перегиба, соответствующей модулю контактной разности потенциалов между катодом и анодом (рис. 10). Температуру катода можно определить следующим образом. Перейдем в уравнении (12) описывающем вольт-амперную характеристику термоэлектронной эмиссии при малых плотностях тока, от плотности термотока j к его полному значению I (j =I / S , где S – площадь поперечного сечения термотока ). Тогда получим

где I S – ток насыщения.

Логарифмируя (35), имеем

.(36)

Постольку уравнение (36) описывает вольт-амперную характеристику на участке левее точки перегиба, то для определения температуры катода необходимо взять любые две точки на этом участке с анодными токами I a 1 , I a 2 и анодными напряжениями U a 1 , U a 2 соответственно. Тогда, согласно уравнению (36),

Отсюда для температуры катода получим рабочую формулу

.(37)

Порядок выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы необходимо:

1. Ознакомиться с описанием и порядком работы с приборами, необходимыми для работы экспериментальной установки. Собрать схему согласно рис. 18. Установку можно включать в сеть только после проверки правильности собранной схемы инженером или преподавателем.

2. Включить источник питания тока накала катода и установит, требуемый ток накала. После установки тока необходимо выждать приблизительно 5 мин., чтобы ток накала и температура катода стабилизировались.

4. Результаты измерений представить на графике в координатах ln I a (V a ), где I a – анодный ток, V a – анодное напряжение. Поскольку в данной работе контактная разность потенциалов определяется графическим методом, масштаб по горизонтальной оси следует выбрать таким образом, чтобы точность определения V К.Р.П была не меньше 0,1 В.

5. По точке перегиба вольт-амперной характеристики определить контактную разность потенциалов между анодом и катодом.

6. Определить температуру катода для трех пар точек на наклонном линейном участке вольт-амперной характеристики левее точки перегиба. Температуру катода следует вычислять по формуле (37). Вычислить среднее значение температуры из этих данных.

7. Оформить отчет по работе.

Требования к отчету

Отчет оформляется на стандартном листе бумаги формата А4 и должен содержать:

1. Основные сведения по теории.

2. Схему экспериментальной установки и ее краткое описание.

3. Результаты измерений и расчетов.

4. Анализ полученных экспериментальных результатов.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Перечислите виды эмиссии электронов. Что является причиной выхода электронов в каждом виде электронной эмиссии?

2. Объясните явление термоэлектронной эмиссии. Дайте определение работы выхода электрона из твердого тела. Как можно объяснить существование потенциального барьера на границе твердое тело – вакуум?

4. Сформулируйте закон Ричардсона-Дешмана . Объясните физический смысл входящих в этот закон величин.

5. В чем особенности вольт-амперной характеристики термокатода при малых плотностях тока эмиссии? Как влияет на нее контактная разность потенциалов между катодом и анодом?

6. В чем заключается эффект Шоттки ? Как объясняется этот эффект?

7. Объясните понижение потенциального барьера для электронов под влиянием электрического поля.

8. Как определится температура катода в данной лабораторной работе?

9. Объясните метод определения контактной разности потенциалов в данной работе.

10. Объясните схему и назначение отдельных элементов лабораторной установки.

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обусловливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда.

Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 60.1; кружки - ионы, черные точки - электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла.

Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, ндет на увеличение потенциальной энергии электрона

Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы (рис. 60.2). Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Потенциальная энергия электрона и потенциал той точки, в которой находится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности (мы будем для краткости говорить просто «на поверхности»), на величину

Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рис. 60.3, а).

Напомним, что за начало отсчета приняты значения потенциала и потенциальной энергии на бесконечности. Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 60.3, б).

Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. В § 51 было выяснено, что при абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем Ферми энергии Етах. На рис. 60.4 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить не одинаковую энергию.

Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работу выхода принято обозначать через где Ф - величина, называемая потенциалом выхода.

В соответствии со сказанным выше, работа выхода электрона из металла определяется выражением

Мы получили это выражение в предположении, что температура металла равна 0 К. При других температурах работу выхода также определяют как разность глубины потенциальной ямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (60.1) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников.

Уровень Ферми зависит от температуры (см. формулу (52.10)). Кроме того, из-за обусловленного тепловым расширением изменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубина потенциальной ямы Это приводит к тому, что работа выхода немного зависит от температуры.

Работа выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте. Подобрав надлежащим образом покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Са, Sr, Ва) снижает работу выхода с 4,5 эВ (для чистого W) до 1,5-2.

ФИЗИКА

Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость вещества.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда в интегральной форме:

Здесь Ω - некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, - граница этой области, ρ - плотность заряда, - плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме:

Закон сохранения заряда в электронике:

Правила Кирхгофа для токов напрямую следуют из закона сохранения заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Зако́н Куло́на. Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. где - сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; q1,q2 - величина зарядов; - радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами - r12); k - коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые - притягиваются).

Диэлектрическая проницаемость вещества. Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Метод суперпозиции электрических полей.

Электрическое поле - одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Напряжённость электри́ческого по́ля - векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q: .

Метод суперпозиции электрических полей. Если поле образовано не одним зарядом, а несколькими, то силы, действующие на пробный заряд, складываются по правилу сложения векторов. Поэтому и напряженность системы зарядов в данной точке, поля равна векторной сумме напряженностей полей от каждого заряда в отдельности.

Поток вектора напряжённости электрического поля. Электрическое смещение. Теорема Остроградского-Гаусса.

напряженность электрического поля через заданную поверхность

сумма потоков через все площадки, на которые разбита поверхность

Электрическое смещение. Благодаря различной поляризуемости разнородных диэлектриков напряженности поля в них будут различными. Поэтому различно и число силовых линий в каждом диэлектрике.

Часть линий, исходящих из зарядов, окруженных замкнутой поверхностью, будет заканчиваться на границе раздела диэлектриков и не пронижет данную поверхность. Это затруднение можно устранить, введя в рассмотрение новую физическую характеристику поля – вектор электрического смещения

Вектор направлен в ту же сторону, что и. Понятие линий вектора и потока смещения, аналогично понятию силовых линий и потока напряженности dN0= DdScos(α)

Фо́рмула Острогра́дского - формула, которая выражает поток векторного поля через замкнутую поверхность интегралом от дивергенции (насколько расходятся входящий и исходящий поток)этого поля по объёму, ограниченному этой поверхностью: то есть интеграл от дивергенции векторного поля , распространённый по некоторому объёму T, равен потоку вектора через поверхность S, ограничивающую данный объём.

Применение теоремы Гаусса к расчёту некоторых электрических полей в вакууме.

а) Поле бесконечно длинной нити

модуль напряженности поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечно длинной нитью на расстоянии R от нее,

б) поле равномерно заряжённой бесконечной плоскости

Пусть σ - поверхностная плотность заряда на плоскости

в) поле двух равномерно заряжённых разноимённых плоскостей

г) поле равномерно заряжённой сферической поверхности

Потенциал электрического поля. Потенциальный характер электрических полей.

Электростатический потенциа́л (см. также кулоновский потенциал) - скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. Электростатический потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда: Дж/Кл

Потенциальный характер электрических полей.

Взаимодействие между неподвижными зарядами осуществляется посредством электростатического поля: взаимодействуют не заряды, а один заряд в месте своего расположения взаимодействует с полем, созданным другим зарядом. В этом заключается идея близкодействия - идея передачи взаимодействий через материальную среду, через поле.

Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Разность потенциалов.

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом

При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу . Эта работа при малом перемещении равна

Напряжённость электрического поля как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности.

Градиент потенциала равен приращению потенциала, отнесенному к единице длины и взятому в направлении, в котором это приращение имеет наибольшее значение.

Эквипотенциальная поверхность - это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение. Другое, эквивалентное, определение - поверхность, в любой своей точке ортогональная силовым линиям поля.

Диполь в электрическом поле. Электрический момент диполя.

однородное поле

Суммарный вращающий момент будет равен

неоднородном внешнем поле

и здесь возникает вращающий момент, разворачивающий диполь вдоль поля (рис. 4). Но в этом случае на заряды действуют неодинаковые но модулю силы, равнодействующая которых отлична от нуля. Поэтому диполь будет еще и перемещаться поступательно, втягиваясь в область более сильного поля

Электрический момент диполя

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик - вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик - вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Поляризация диэлектриков - смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в диэлектриках в противоположные стороны.

Электрическое поле в диэлектрике. Вектор поляризации. Уравнение поля в диэлектрике.

В диэлектрике наличие электрического поля не препятствует равновесию зарядов. Сила, действующая на заряды в диэлектрике со стороны электрического поля, уравновешивается внутримолекулярными силами, удерживающими заряды в пределах молекулы диэлектрика, так что в диэлектрике возможно равновесие зарядов, несмотря на наличие электрического поля.

Вектор электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика.

Уравнение поля в диэлектрике

где r - плотность всех электрических зарядов

Диэлектрическая восприимчивость вещества. Её взаимосвязь с диэлектрической проницаемостью среды.

Диэлектри́ческая восприи́мчивость вещества - физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость χe - коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях: В системе СИ: где ε0 - электрическая постоянная; произведение ε0χe называется в системе СИ абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

Сегнетоэлектрики. Их особенности. Пьезоэффект.

Сегнетоэлектрики, кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт - эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений

Проводники в электрическом поле. Распределение зарядов в проводнике.

Ε = Евнешн - Евнутр = 0

Внесем пластину проводника в электрическое поле, назовем это поле внешним.

В результате на левой поверхности будет отрицательный заряд,а на правой поверхности будет заряд положительный. Между этими зарядами возникнет свое электрическое поле, которое назовём внутренним. Внутри пластины одновременно будут два электрических поля- внешнее и внутреннее, противоположные по направлению.

Электроёмкость проводников. Конденсатор. Соединение конденсаторов.

Электроёмкость - физическая величина численно равная величине заряда, который необходимо сообщить данному проводнику для увеличения его потенциала на единицу.

Конденсатор - устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

параллельно соединенных

последовательно соединенных

Энергия заряжённого проводника, конденсатора. Энергия электрического поля. Объёмная плотность энергии электрического поля.

Энергия заряженного проводника равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник:

Энергия заряженного конденсатора

Энергия электростатического поля

Объемная плотность энергии электростатического поля

16. Сила и плотность электрического поля. ЭДС. Напряжение.

Сила тока - скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Плотность тока j - это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника.

Электродвижущая сила (ЭДС) - физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

Электри́ческое напряже́ние - физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда.

17. Закон Ома для однородного участка цепи. Закон Ома для неоднородного участка в интегральной форме. Закон Ома для полной цепи.

сила тока I в однородном металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению U на концах этого проводника и обратно пропорциональна сопротивлению R этого проводника

закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме IR = (φ1 - φ2) + E12

Закон Ома для полной цепи :

18. Дифференциальная форма закона Ома.

j-плотность тока, σ - удельная электропроводность вещества, из которого сделан проводник Eст-поле сторонних сил

19. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.

в дифференциальной форме:

плотность тепловой мощности -

в интегральной форме:

20. Нелинейные элементы. Методы расчёта с нелинейными элементами. Правило Кирхгофа.

нелинейными называются электрические цепи, у которых реакции и воздействие связаны нелинейно.

Метод простой итерации

1.Исходное нелинейное уравнение электрической цепи, где -искомая переменная, представляется в виде .

2. Производится расчет по алгоритму где

Шаг итерации. Линейными зависимостями

Здесь - заданная погрешность

Первое правило Кирхгофа:

алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю

второе правило Кирхгофа:

в любом простом замкнутом контуре, произвольно выбираемом в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре

21. Ток в вакууме. Эмиссионные явления и их технические применения.

Вакуум-это такое состояние газа в сосуде, при котором молекулы пролетают от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.

Вакуум-изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц, для этого используют эмиссию (испускание) электронов веществами. В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде - фотоэлектронная.

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 энергиям) 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.

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 в т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

Фотоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.

Вторичная электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов - электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами.

Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях.

Автоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке.

22. Ток в газах. Самостоятельная и не самостоятельная проводимость газов. ВАХ тока в газах. Виды разрядов и их техническое применения.

В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов. Чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. В первом случае проводимость газа называется несамостоятельной, во втором - самостоятельной.

Вольтамперная характеристика (ВАХ ) - график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольтамперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе.

Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа. Используют для катодного распыления металлов.

Искровой разряд , часто наблюдаемый в природе, - молния. Принцип действия искрового вольтметра - прибора для измерения очень высоких напряжений.

Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других осветительных установках. Вследствие высокой температуры дуга широко применяется для сварки и резки металлов. Высокую температуру дуги используют также при устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургии.

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Используется в технике для устройства электрофильтров, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей.

23. Магнитное поле. Магнитная индукция. Магнитное взаимодействие токов.

Магни́тное по́ле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магни́тная инду́кция - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

24. Магнитный момент кругового тока. Закон Ампера.

Магнитный момент кругового тока сила тока I, текущего по витку, площадь S, обтекаемая током и ориентация витка в пространстве, определяемая направлением единичного вектора нормали к плоскости витка.

Закон Ампера закон механического (пондеромоторного) взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

25. Закон Био-Савара-Лапласа и его примение к расчёту некторых магнитных полей:

А) магнитое поле прямого проводника с током.

Б) поле кругового тока в центре кругового тока.

Закон Био - Савара - Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А индукцию поля dB, записывается в виде где dl - вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r-радиус-вектор, проведанный из элемента dl проводника в точку А поля, r - модуль радиуса-вектора r.

магнитная индукция поля прямого тока

магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током

26. Циркуляция магнитной индукции. Вихревой характер магнитного тока. Закон полного тока в вакууме (теорема о циркуляции вектора индукции).

Циркуляция магнитной индукции где dl - вектор элементарной длины контура, который направлен вдоль обхода контура, Bl=Bcosα - составляющая вектора В в направлении касательной к контуру (с учетом выбора направления обхода контура), α - угол между векторами В и dl.

Вихревой характер магнитного поля.

Линии магнитной индукции непрерывны: они не имеют ни начала, ни конца. Это имеет место для любого магнитного поля, вызванного какими угодно контурами с током. Векторные поля, обладающие непрерывными линиями, получили название вихревых полей. Мы видим, что магнитное поле есть вихревое поле. В этом заключается существенное отличие магнитного поля от электростатического.

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции вектора В): циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной μ0 на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

27. Применение закона полного тока для расчёта магнитного поля соленоида.

Кольцевая магнитная цепь

1 и совпадают, следовательно α = 0;

2 величина Нх во всех точках контура одинакова;

3 сумма токов, пронизывающих контур, равна IW.

[А/м],

где Lx – длина контура, вдоль которого велось интегрирование;

rx – радиус окружности.

Вектор внутри кольца зависит от расстояния rх. Если α – ширина кольца

Hср = IW / L ,

где L – длина средней магнитной линии.

28. Магнитный поток. Теорема Гаусса для потока вектора магнитной индукции.

Магни́тный пото́к - поток как интеграл вектора магнитной индукции через конечную поверхность . Определяется через интеграл по поверхности

В соответствии с теоремой Гаусса для магнитной индукции поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:

29. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.

работа по перемещению замкну того контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.

30. Сила Лоренца. Движение заряжённых частиц в магнитном поле. Ускорители заряжённых частиц в магнитном поле.

Сила Лоренца - сила, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. v-скорость частицы

. Движение заряжённых частиц в магнитном поле

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

31. Явление электромагнитной индукции. Закон фарадея. Правило Ленца.

Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Закон Фарадея

Правило Ленца , правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

32. ЭДС индукции. Закон электромагнитной индукции.

Электродвижущая сила (ЭДС) - физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (Eex). В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна: , где dl - элемент длины контура.

Закон электромагнитной индукции Эл. ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.

33. Самоиндукция. Индуктивность.

Самоиндукция - возбуждение электродвижущей силы индукции (эдс) в электрической цепи при изменении электрического тока в этой цепи; частный случай электромагнитной индукции. Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока

Индуктивность (от лат. inductio - наведение, побуждение), физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален силе тока I:

34. Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции.

Явлением взаимоиндукции называют наведение ЭДС в одном контуре при изменении тока в другом.

Ф21 = M21I1 Коэффициент М21 называется взаимной индуктивностью втоpого контуpа в зависимости от пеpвого.

35. Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля.

Энергия магнитного поля

Плотность энергии магнитного поля (H-напряженность магнитного поля).

36. Магнитные свойства вещества. Намагничевание вещества. Теорема Гаусса для индукции магнитного поля.

По магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса:

вещества с резко выраженными магнитными свойствами - ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях

парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее

диамагнитные вещества- они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

намагниченность вещества

Теорема Гаусса для магнитной индукции

Поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:

или в дифференциальной форме:

Это эквивалентно тому, что в природе не существует «магнитных зарядов» (монополей), которые создавали бы магнитное поле, как электрические заряды создают электрическое поле. Иными словами, теорема Гаусса для магнитной индукции показывает, что магнитное поле является (полностью) вихревым.

37. Напяжённость магнитного поля. Теорема о циркуляции вектора напяжённости магнитного поля.

Напряжённость магни́тного по́ля - (стандартное обозначение Н) это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

, где μ0 - магнитная постоянная

Теорема о циркуляции вектора напяжённости магнитного поля:

Циркуляция магнитного поля постоянных токов по всякому замкнутому контуру пропорциональна сумме сил токов, пронизывающих контур циркуляции.

38. Закон полного тока в веществе.

закон полного тока : Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру L равна алгебраической сумме макротоков, охватываемых контуром.

39. Магнитная восприимчевость и магнитная проницаемость вещества.

Магнитная проницаемость - физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией B и напряжённостью магнитного поля H в веществе.

40. Диа-, пара- и феромагнетики.

СМ. №36

41. Электромагнитные колебания в колебательном контуре. Формула Томсона.

Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона

Формула Томсона

42. Уравнение Максвелла в интегральной форме.

При помощи формул Остроградского-Гаусса и Стокса дифференциальным уравнениям Максвелла можно придать форму интегральных уравнений:

Закон Гаусса

Закон Гаусса для магнитного поля

Закон индукции Фарадея

Работа выхода

энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной Р. в. Следовательно, Р. в. является мерой связи электрона с конденсированной средой; чем меньше Р. в., тем легче происходит эмиссия электронов. Поэтому, например, плотность тока термоэлектронной эмиссии (См. Термоэлектронная эмиссия) или автоэлектронной эмиссии (см. Туннельная эмиссия) экспоненциально зависит от Р. в.

Р. в. наиболее полно изучена для проводников, особенно для металлов (См. Металлы). Она зависит от кристаллографической структуры поверхности. Чем плотнее «упакована» грань кристалла, тем выше Р. в. φ. Например, для чистого вольфрама φ = 4,3 эв для граней {116} и 5,35 эв для граней {110}. Для металлов возрастание (усреднённых по граням) φ приблизительно соответствует возрастанию потенциала ионизации. Наименьшие Р. в. (2 эв ) свойственны щелочным металлам (Cs, Rb, К), а наибольшие (5,5 эв ) - металлам группы Pt.

Р. в. чувствительна к дефектам структуры поверхности. Наличие на плотноупакованной грани собственных неупорядоченно расположенных атомов уменьшает φ. Ещё более резко φ зависит от поверхностных примесей: электроотрицательные примеси (кислород, галогены, металлы с φ, большей, чем φ подложки) обычно повышают φ, а электроположительные - понижают. Для большинства электроположительных примесей (Cs на W, Tn на W, Ba на W) наблюдается снижение Р. в., которая достигает при некоторой оптимальной концентрации примесей n oпт минимального значения, более низкого, чем φ основного металла; при n ≈ 2n oпт Р. в. становится близкой к φ металла покрытия и далее не изменяется (см. рис. ). Величине n oпт соответствует упорядоченный, согласованный со структурой подложки слой атомов примеси, как правило, с заполнением всех вакантных мест; а величине 2n oпт - плотный моноатомный слой (согласование со структурой подложки нарушено). Т. о., Р. в. по крайней мере для материалов с металлической электропроводностью определяется свойствами их поверхности.

Электронная теория металлов рассматривает Р. в. как работу, необходимую для удаления электрона с Ферми уровня в вакуум. Современная теория не позволяет пока точно вычислить φ для заданных структур и поверхностей. Основные сведения о значениях φ даёт эксперимент. Для определения φ используют эмиссионные или контактные явления (см. Контактная разность потенциалов).

Знание Р. в. существенно при конструировании электровакуумных приборов (См. Электровакуумные приборы), где используется эмиссия электронов или ионов, а также в таких, например, устройствах, как термоэлектронные преобразователи (См. Термоэлектронный преобразователь) энергии.

Лит.: Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969.

В. Н. Шредник.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Работа выхода" в других словарях:

Разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон… … Википедия

Энергия Ф, к рую необходимо затратить для удаления эл на из твёрдого или жидкого в ва в вакуум (в состояние с равной нулю кинетич, энергией). Р. в. Ф=еj, где j потенциал Р. в., е абс. величина электрич. заряда электрона. Р. в. равна разности… … Физическая энциклопедия

работа выхода - электрона; работа выхода Работа, соответствующая разности энергий между уровнем химического потенциала в теле и уровнем потенциала вблизи поверхности тела вне его при отсутствии электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и Ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Большой Энциклопедический словарь

РАБОТА ВЫХОДА, энергия, затрачиваемая на удаление электрона из вещества. Учитывается при ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ и в ТЕРМОЭЛЕКТРОНИКЕ … Научно-технический энциклопедический словарь

работа выхода - Энергия, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Ферми в данном материале. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

работа выхода - энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной работе выхода; чем меньше работа выхода, тем… … Энциклопедический словарь по металлургии

работа выхода - Work Function Работа выхода Минимальная энергия (обычно измеряемая в электрон вольтах), которую необходимо затратить для удаления электрона из объема твёрдого тела. Электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Энциклопедический словарь

работа выхода - išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. work function vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

работа выхода - išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. work function; work of emission; work of exit vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. работа выхода, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Рассмотрим ситуацию: заряд q 0 попадает в электростатическое поле. Это электростатическое поле тоже создается каким-то заряженным телом или системой тел, но нас это не интересует. На заряд q 0 со стороны поля действует сила, которая может совершать работу и перемещать этот заряд в поле.

Работа электростатического поля не зависит от траектории . Работа поля при перемещении заряда по замкнутой траектории равна нулю. По этой причине силы электростатического поля называются консервативными , а само поле называется потенциальным .

Потенциал

Система "заряд - электростатическое поле" или "заряд - заряд" обладает потенциальной энергией , подобно тому, как система "гравитационное поле - тело" обладает потенциальной энергией.

Физическая скалярная величина, характеризующая энергетическое состояние поля называется потенциалом данной точки поля. В поле помещается заряд q, он обладает потенциальной энергией W. Потенциал - это характеристика электростатического поля.

Вспомним потенциальную энергию в механике . Потенциальная энергия равна нулю, когда тело находится на земле. А когда тело поднимают на некоторую высоту, то говорят, что тело обладает потенциальной энергией.

Касательно потенциальной энергии в электричестве, то здесь нет нулевого уровня потенциальной энергии. Его выбирают произвольно. Поэтому потенциал является относительной физической величиной.

В механике тела стремятся занять положение с наименьшей потенциальной энергией. В электричестве же под действием сил поля положительно заряженное тело стремится переместится из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом, а отрицательно заряженное тело - наоборот.

Потенциальная энергия поля - это работа, которую выполняет электростатическая сила при перемещении заряда из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

Рассмотрим частный случай, когда электростатическое поле создается электрическим зарядом Q. Для исследования потенциала такого поля нет необходимости в него вносить заряд q. Можно высчитать потенциал любой точки такого поля, находящейся на расстоянии r от заряда Q.

Диэлектрическая проницаемость среды имеет известное значение (табличное), характеризует среду, в которой существует поле. Для воздуха она равна единице.

Разность потенциалов

Работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую, называется разностью потенциалов

Эту формулу можно представить в ином виде

Эквипотенциальная поверхность (линия) - поверхность равного потенциала. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Напряжение

Разность потенциалов называют еще электрическим напряжением при условии, что сторонние силы не действуют или их действием можно пренебречь.

Напряжение между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности , равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние между этими точками.

От величины напряжения зависит ток в цепи и энергия заряженной частицы.

Принцип суперпозиции

Потенциал поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической (с учетом знака потенциала) сумме потенциалов полей каждого поля в отдельности

При решении задач возникает много путаницы при определении знака потенциала, разности потенциалов, работы.

На рисунке изображены линии напряженности. В какой точке поля потенциал больше?

Верный ответ - точка 1. Вспомним, что линии напряженности начинаются на положительном заряде, а значит положительный заряд находится слева, следовательно максимальным потенциалом обладает крайняя левая точка.

Если происходит исследование поля, которое создается отрицательным зарядом, то потенциал поля вблизи заряда имеет отрицательное значение, в этом легко убедиться, если в формулу подставить заряд со знаком "минус". Чем дальше от отрицательного заряда, тем потенциал поля больше.

Если происходит перемещение положительного заряда вдоль линий напряженности, то разность потенциалов и работа являются положительными. Если вдоль линий напряженности происходит перемещение отрицательного заряда, то разность потенциалов имеет знак "+", работа имеет знак "-".